天文學(xué)家認(rèn)為，對(duì)紅巨星的最新觀測(cè)可能會(huì)填補(bǔ)“哈勃爭(zhēng)議”的理論空缺。

(圖片編輯: 歐洲航天局和美國(guó)國(guó)家航空航天局)

新的數(shù)據(jù)表明，測(cè)量宇宙膨脹率的一個(gè)根本分歧可以得到解釋。

在一篇新發(fā)表的論文中，研究這一難題的一位主要參與者通過研究現(xiàn)有的信息，得出結(jié)論: 最好的觀測(cè)結(jié)果可能使我們得到宇宙隨時(shí)間增長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)圖像。

科學(xué)家們知道宇宙正在膨脹，但對(duì)于這個(gè)過程的速度有多快，十年來一直意見不一。研究者們使用宇宙微波背景輻射(CMB)(宇宙大爆炸后不久產(chǎn)生的余光)測(cè)量了相關(guān)數(shù)據(jù)，膨脹的哈勃常數(shù)值約為每百萬光年46,200英里/小時(shí)，用宇宙學(xué)單位計(jì)量則為每百萬秒差67.4公里/秒。(百萬秒差距等于326萬光年。)

然而，瞄準(zhǔn)附近宇宙恒星的望遠(yuǎn)鏡得出的哈勃常數(shù)值則為50400英里每百萬光年(73.4千米/秒/百萬秒差)。這兩個(gè)數(shù)字雖然相差不大，但都很精確，彼此之間無法協(xié)調(diào)。

這兩個(gè)數(shù)字之間的矛盾一直是令研究人員頭疼的問題。一些人提出，這種差異使他們不得不推翻他們青睞的宇宙模型。該模型解釋了自時(shí)間破曉以來，像星系團(tuán)這樣的巨大宇宙結(jié)構(gòu)是如何出現(xiàn)和進(jìn)化的。也許，研究人員想知道，超越我們目前所知的新物理學(xué)可以用來彌補(bǔ)這一空缺。

“我認(rèn)為這是一個(gè)非常有趣的問題:‘在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型之外，是否存在新的物理學(xué)?’”芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家溫迪·弗里德曼在接受《生活科學(xué)》采訪時(shí)表示。

弗里德曼花了她職業(yè)生涯的大部分時(shí)間來觀察所謂的造父變星。這些恒星有規(guī)律地跳動(dòng)，它們的光波動(dòng)周期與它們的內(nèi)在亮度之間存在關(guān)系。通過了解這個(gè)固有亮度和從地球上看到的造父變星的光度，天文學(xué)家可以計(jì)算出它與我們的距離，然后測(cè)量宇宙在空間中那個(gè)點(diǎn)的膨脹速度。

造父變星的數(shù)據(jù)是哈勃常數(shù)較高值的關(guān)鍵之一，但弗里德曼和她的合作者一直想知道，他們的觀測(cè)是否存在系統(tǒng)性錯(cuò)誤。長(zhǎng)期以來，他們一直在尋找獨(dú)立的方法來證實(shí)或質(zhì)疑他們的研究結(jié)果。

幾年前，她和她的同事們?cè)诰薮蟮募t色恒星的光線中發(fā)現(xiàn)了一種方法。這些天體代表著與太陽質(zhì)量相似的恒星的生命后期階段，它們?cè)谘莼哪骋浑A段達(dá)到特定的亮度峰值。就像造父變星一樣，天文學(xué)家可以通過從地球上觀察它們的亮度來很好地估計(jì)它們的距離。

2019年，弗里德曼和她的團(tuán)隊(duì)為哈勃常數(shù)提供了一個(gè)位于其他兩個(gè)測(cè)量值之間的數(shù)字:每百萬光年47300英里(69.8公里/秒/百萬秒差)。這一結(jié)果是用大麥哲倫星云中的巨大紅色恒星校準(zhǔn)的，大麥哲倫星云是一個(gè)環(huán)繞銀河系運(yùn)行的矮星系，與我們的距離相對(duì)較好確定。

從那時(shí)起，研究人員增加了更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，校準(zhǔn)了其他三個(gè)星系和空間區(qū)域中巨型紅星的距離，這提高了哈勃常數(shù)測(cè)量的精度。這些研究結(jié)果發(fā)表在預(yù)印本數(shù)據(jù)庫(kù)arXiv上，并通過《天體物理學(xué)雜志》發(fā)表。這些研究結(jié)果基本上得出了相同的中間估計(jì)。

“它落在同一個(gè)地方，接近70公里/秒/百萬秒差，不確定度略高于2%，”弗里德曼在談到從紅巨星估計(jì)的新哈勃常數(shù)時(shí)說?！叭绻覀儼堰@些結(jié)果與宇宙微波背景輻射進(jìn)行比較，我們不會(huì)說有問題。”

弗里德曼說，這些最新的紅巨星測(cè)量表明，造父變星觀測(cè)可能存在系統(tǒng)性錯(cuò)誤。她補(bǔ)充說，來自宇宙的遮蔽塵埃和背景光是一些可能的罪魁禍?zhǔn)?，但證實(shí)這一點(diǎn)還需要時(shí)間。

“這項(xiàng)工作給我留下了深刻的印象，”加州斯坦福大學(xué)的宇宙學(xué)家西蒙·伯勒(Simon Birrer)告訴《生活科學(xué)》(Live Science)。 我雖然沒有參與這個(gè)研究, 但這篇論文確實(shí)突出了觀測(cè)紅巨星的特殊優(yōu)勢(shì)，他補(bǔ)充道。

但是作為一個(gè)研究大質(zhì)量星系如何扭曲光的團(tuán)隊(duì)的一員，西蒙·伯勒(Simon Birrer)提供了另一個(gè)獨(dú)立的哈勃常數(shù)測(cè)量方式，他認(rèn)為這個(gè)事件還沒有完全結(jié)束。“這是哈勃爭(zhēng)議結(jié)束的開始嗎?我們?nèi)栽谂Γ彼f。

天文學(xué)家們現(xiàn)在提供了許多不同的宇宙膨脹估計(jì)，有的意見一致，有的則產(chǎn)生了分歧。伯勒說，每個(gè)團(tuán)隊(duì)都在努力獲得他們所能提供的最好的準(zhǔn)確性，但目前還不清楚哪些可能包含最終答案。

弗里德曼對(duì)此表示贊同，她說她和她的同事最近已經(jīng)獲準(zhǔn)使用即將問世的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡來觀測(cè)造父變星和紅巨星。這些觀測(cè)結(jié)果應(yīng)該會(huì)有助于澄清一些剩余的系統(tǒng)不確定性，并有望更接近哈勃常數(shù)的真實(shí)值。

BY:Adam Mann

FY:Angelina Yang Gong

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