利用造父變星對用來描述宇宙膨脹速度的哈勃常數進行測量的示意圖。(NASA, ESA, A. Feild[STScI), and A. Riess[STScI/JHU])
【大紀元2024年03月31日訊】(大紀元記者林達編譯報導)天文學家通過結合哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)和韋伯太空望遠鏡(JWST)的數據,對宇宙哈勃常數進行了新的測量,結果證實了以前曾測量過的哈勃常數值(Hubble constant)的準確性,從而對不同方法的測量結果之間存在的差異進行了進一步確認。這凸顯了現有宇宙理論可能亟需突破。
這項新研究於2月6日發表在《天文物理期刊通訊》(The Astrophysical Journal Letters)上。哈勃常數是衡量宇宙膨脹速度的指標,而通過不同觀測方法獲得的數值之間長期存在的差異被稱為「哈勃張力」(Hubble tension)。
基本概念
曾經有一段時間,科學家們相信宇宙是靜態的,但隨着愛因斯坦廣義相對論的出現,這種情況發生了變化。亞歷山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)於1922年發表了一組方程,表明宇宙實際上可能正在膨脹,喬治·勒梅特(Georges Lemaitre)後來進行了獨立推導,得出了相同的結論。埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)於1929年用觀測數據證實了這一膨脹。此前,愛因斯坦一直試圖通過添加一個宇宙學常數來修改廣義相對論,以便從他的理論中得到一個靜態的宇宙。據傳,哈勃新理論出現後,愛因斯坦曾說,他試圖引入宇宙常數而保持靜態宇宙的努力是一生最大的錯誤。
哈勃常數用來衡量宇宙膨脹速度,其單位是每秒鐘每百萬秒差距膨脹的公里數(km/s·Mpc,百萬秒差距megaparsec是一個測量宇宙中長度的單位,1秒差距約為3.26光年)。換句話說,每一百萬秒差距的宇宙區域,在一秒鐘的時間裏都會膨脹一定的公里數。從另一個角度來看,假設有一個相對靜止的物體位於一百萬秒差距遠,那麼每過一秒,它與我們的距離就會增加幾公里。
不同測量方法
那麼具體是多少公里?這就是問題所在。科學家們基本上會使用三種方法來測量哈勃常數:觀察附近的物體以了解其移動速度,黑洞或中子星碰撞產生的引力波,以及測量大爆炸餘輝中的微小偏差,這個所謂的「餘輝」也稱為宇宙微波背景(CMB)。然而,不同的方法得出了不同的值。例如,跟蹤觀測遙遠的超新星所得到的值為73km/s·Mpc,而使用普朗克衛星(Planck satellite)測量CMB得到的值為67km/s·Mpc。
就在去年,研究人員通過跟蹤利用引力透鏡效應看到的超新星,對宇宙膨脹進行了第三次獨立測量,其中由大質量物體引起的時空扭曲充當透鏡,放大了背景中的物體。這些模型的最佳擬合結果均略低於從CMB得到的哈勃常數值,差異在統計誤差範圍內。這是一個新方法,具有相當大的不確定性,但確實提供了一種獲取哈勃常數的獨立方法。
藝術科學網站(Ars Science)編輯約翰·提摩爾(John Timmer)寫道:「我們利用宇宙微波背景中的信息對其進行了測量,並得到了一個值。使用當今宇宙中物體的視距離來測量它,得到的值相差大約10%。據知,這兩種測量都沒有問題,但沒有辦法達成統一。一種假設是,早期宇宙短暫地經歷了某種來自排斥引力(類似於暗能量概念)的「反衝」,然後神秘地消失。但這仍是一個猜測,儘管物理學家可能會對其感到興奮。」
利用造父變星
現在,最新的測量則在去年韋伯望遠鏡的數據基礎之上更進一步,確認了哈勃早期對膨脹率的測量是準確的,至少對於不很大的宇宙尺度來說是準確的。但它仍然可能存在錯誤,這些錯誤可能會增加人們對宇宙更深層次的觀察,特別是對更遙遠恆星的亮度測量。
因此,新的研究團隊對造父變星(Cepheid variable stars)進行了額外的觀測,對象為5個宿主星系中共有1,000顆恆星,遠至1.3億光年,並將其與哈勃數據關聯起來。韋伯望遠鏡能夠穿透星際塵埃進行觀測,這些塵埃使哈勃拍攝的這些恆星的圖像變得更加模糊和重疊,因此天文學家可以利用韋伯望遠鏡更容易地區分單個恆星。
結果進一步證實了哈勃數據的準確性。「我們已經跨越了哈勃觀測到的整個範圍,確認測量誤差來自哈勃張力,」合著者兼團隊負責人、約翰·霍普金斯大學物理學家亞當·里斯(Adam Riess)說,「韋伯和哈勃的結合達到了兩全其美的效果。我們發現,當沿着宇宙距離階梯爬得更遠時,哈勃測量依然可靠。測量誤差消除後,剩下的就是:我們可能誤解了宇宙的真實性,這讓人興奮。」
看來,現有的宇宙理論亟需重新審視,或許下一個理論突破離我們不遠了。◇#