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宇宙冲突:宇宙膨胀的分散数据使科学家极化,如何理解宇宙的全面危机

 灵魂医学 2018-05-17

关于天文测量的争论开始于我们如何理解宇宙的全面危机。两个数据集,一个来自近140亿年前的新生宇宙,另一个来自我们今天看到的恒星,它们对一个看似简单的问题产生了矛盾的答案:宇宙膨胀的速度有多快?

答案之间的差距只有9%,但远远超过每个数据集的估计不确定性。

研究人员对这一差距的每一方都称之为“紧张”,并在密切关注他们的观察结果的有效性。这种紧张是科学幻想和噩梦的素材。它暗示,在某种程度上,我们对自然规律的理解可能有根本的缺陷,对物理学有潜在深远的影响,甚至可能是所有事物的命运。

约翰霍普金斯大学的天体物理学家Adam Riess和太空望远镜科学研究所的一位科学家说:“如果紧张不是侥幸,也不是测量误差,那就意味着我们的模型中缺少了一些东西。”“为早期宇宙做这个测量,然后把它与今天的比较是对我们关于宇宙构建的整个故事的一个端到端的测试。问题是,如果有什么东西不适合,我们不知道故事到底在哪里发散。”

宇宙膨胀率问题的答案是哈勃常数,它是由天文学家埃德温哈勃命名的,他在20世纪20年代发现宇宙正在膨胀。星系以与它们的距离成比例的速度从我们处退去,越远越快。哈勃常数是宇宙距离和速度之间的关系。

但这样做不仅揭示了天文学家的兴趣,而且对宇宙学家和物理学家也有兴趣。因为常量代表宇宙长历史中任何特定时刻的膨胀率,随着时间的推移测量其值提供了宇宙如何在亿万年上演化的广阔的视野,给研究者提供了我们宇宙起源和未来的关键线索。

不知何故被空虚召唤,数十亿个向外奔跑的星系也感受到后视镜中所有东西的集体引力,试图把它们拽回来。哈勃常数反映了宇宙中所有物质的总和和作用在重力上的力,或者重力是否会最终赢得银河系拔河。

宇宙的内容最终可能会逆转一个叫做“大紧缩”的场景,在这个场景中,重力把一切都拉回到一个无限热和稠密的点,就像诞生大霹雳一样。

或者宇宙可能无限地稳步扩展,越来越冷,无精打采,在一个“大寒战”,提供无限的空间和时间,但最终很少做。或者宇宙膨胀可能会急剧加速,变得如此不规则,以至于它的所有骑手都要赔钱。这样一个加速的宇宙可以分裂星系,然后恒星,然后行星,原子和亚原子粒子,直到即使是现实的织物本身在它的缝隙分裂在一个“大撕裂”,几乎没有留下任何东西。宇宙会在火、冰或空虚中结束吗?哈勃常数知道,但是在紧张得到解决之前,答案是不清楚的。

“这是宇宙学参数中最重要的,”芝加哥大学的天体物理学家Wendy Freedman说,她的职业生涯一直在追求哈勃常数。“它是锚,因为它对最大数量的事物有最高的影响。这是一个真正重要的测量。“在20世纪90年代和2000年代早期,弗雷德曼领导了一个团队,用哈勃太空望远镜提供了当时常数最好的测量值。其他人则在不断改进。

在过去的十年里,里斯一直处于这一努力的最前沿,带领着一组天文学家们在地面和太空中使用望远镜,以进一步改进哈勃常数的估计,这是一个叫做“Se0ES”的项目(不要问)。

SHOES的选择目标是被称为Ia型超新星的爆炸恒星。这些爆炸的恒星在整个宇宙中闪耀着几乎相同的亮度,使之成为理想的“标准蜡烛”来测量与其他星系的距离。通过知道一种IA到底是多么明亮,而在望远镜中看起来是多么明亮,科学家们可以计算出地球和那遥远的恒星灾难之间有多少空间。它们还可以测量超新星的红移,这是超新星和地球之间的空间扩展将超新星的光延伸到更长、更红的波长的方式。然后,他们通过比较宇宙中分散的许多超新星的红移和亮度来估计膨胀率。然而,为了校准它们的超新星测量,SHOES团队还使用另一种标准蜡烛:造父变星,其周期性地相对于它们的光度脉动,并在银河系附近提供优越的距离测量。

对超新星和造父变星数据的配对使SUEES团队能够更稳定地估计哈勃常数,将测量误差的误差从2009的5%降低到2016的2.4%。他们最近的努力,使用新的和改进的来自欧洲航天局(EASA)GaAI航天器的造父距离数据校准,将不确定性降低到2.2%。多年来,SU0S团队对哈勃常数的计算一直保持着非常一致:根据超新星和造父变星,宇宙以每秒73.5公里每秒的速度扩张(大约330万光年)。也就是说,在我们和另一个星系之间的每330万光年的空间中,后者会从我们这里退回73.5公里每秒的速度更快。

紧张局势出现在另一个ESA飞船普朗克的独立测量中。从2009到2013,普朗克创造了前所未有的详细的宇宙微波背景图(CMB),宇宙大爆炸的原始火球余辉从宇宙只有380000岁。普朗克团队首先通过对声波的大小和运动的模拟,得出了哈勃常数从过去的时代开始,声波应该在充满早期宇宙的带电粒子汤中荡漾。

接下来,他们将这些估计与印在CMB上的实际回声进行比较。该比较提供了CMB的距离和其特征的标量维度,允许普朗克团队以每兆秒每秒仅67.3公里的速度来计时原始宇宙的扩展速率。这一估计及其显著的误差率仅为1%,主要取决于公认的宇宙学“标准模型”——一个粗略的理论结构,它有力地预言了CMB和当代宇宙的许多观测特征。

“这就像儿科医生测量和计算,你的孩子最终会有六英尺高,但你的孩子最终成长为六英尺半,”Riess说。“这意味着其他的事情正在发生,也许你的孩子有成长的冲动或者注射荷尔蒙。在这种情况下,它是我们最好的宇宙学模型的物理学,提供了生长图。但是谁能说我们真的有这个权利?“

Riess说,现在通过盖亚的造父距离测量再次进行了一次测试,哈勃常数测量的统计概率是7000的一个。物理学家通常认为在达到统计似然的百万分之一范围内的测量是有意义的;目前,SUEES的结果仍然没有达到那个崇高的标准,而是越来越接近。同时,普朗克团队也没有让步,团队成员一致认为,其结果的有效性几乎是无懈可击的。

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