韦伯新数据确认 宇宙膨胀速度为何存在矛盾

Daphane

來源:大紀元



利用造父变星对用来描述宇宙膨胀速度的哈勃常数进行测量的示意图。(NASA, ESA, A. Feild [STScI), and A. Riess [STScI/JHU])

【大纪元2024年03月31日讯】（大纪元记者林达编译报导）天文学家通过结合哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）和韦伯太空望远镜（JWST）的数据，对宇宙哈勃常数进行了新的测量，结果证实了以前曾测量过的哈勃常数值（Hubble constant）的准确性，从而对不同方法的测量结果之间存在的差异进行了进一步确认。这凸显了现有宇宙理论可能亟需突破。

这项新研究于2月6日发表在《天文物理期刊通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上。哈勃常数是衡量宇宙膨胀速度的指标，而通过不同观测方法获得的数值之间长期存在的差异被称为“哈勃张力”（Hubble tension）。

基本概念

曾经有一段时间，科学家们相信宇宙是静态的，但随着爱因斯坦广义相对论的出现，这种情况发生了变化。亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）于1922年发表了一组方程，表明宇宙实际上可能正在膨胀，乔治·勒梅特（Georges Lemaitre）后来进行了独立推导，得出了相同的结论。埃德温·哈勃（Edwin Hubble）于1929年用观测数据证实了这一膨胀。此前，爱因斯坦一直试图通过添加一个宇宙学常数来修改广义相对论，以便从他的理论中得到一个静态的宇宙。据传，哈勃新理论出现后，爱因斯坦曾说，他试图引入宇宙常数而保持静态宇宙的努力是一生最大的错误。

哈勃常数用来衡量宇宙膨胀速度，其单位是每秒钟每百万秒差距膨胀的公里数（km/s·Mpc，百万秒差距megaparsec是一个测量宇宙中长度的单位，1秒差距约为3.26光年）。换句话说，每一百万秒差距的宇宙区域，在一秒钟的时间里都会膨胀一定的公里数。从另一个角度来看，假设有一个相对静止的物体位于一百万秒差距远，那么每过一秒，它与我们的距离就会增加几公里。

不同测量方法

那么具体是多少公里？这就是问题所在。科学家们基本上会使用三种方法来测量哈勃常数：观察附近的物体以了解其移动速度，黑洞或中子星碰撞产生的引力波，以及测量大爆炸余辉中的微小偏差，这个所谓的“余辉”也称为宇宙微波背景（CMB）。然而，不同的方法得出了不同的值。例如，跟踪观测遥远的超新星所得到的值为73km/s·Mpc，而使用普朗克卫星（Planck satellite）测量CMB得到的值为67km/s·Mpc。

就在去年，研究人员通过跟踪利用引力透镜效应看到的超新星，对宇宙膨胀进行了第三次独立测量，其中由大质量物体引起的时空扭曲充当透镜，放大了背景中的物体。这些模型的最佳拟合结果均略低于从CMB得到的哈勃常数值，差异在统计误差范围内。这是一个新方法，具有相当大的不确定性，但确实提供了一种获取哈勃常数的独立方法。

艺术科学网站（Ars Science）编辑约翰·提摩尔（John Timmer）写道：“我们利用宇宙微波背景中的信息对其进行了测量，并得到了一个值。使用当今宇宙中物体的视距离来测量它，得到的值相差大约10%。据知，这两种测量都没有问题，但没有办法达成统一。一种假设是，早期宇宙短暂地经历了某种来自排斥引力（类似于暗能量概念）的“反冲”，然后神秘地消失。但这仍是一个猜测，尽管物理学家可能会对其感到兴奋。”

利用造父变星

现在，最新的测量则在去年韦伯望远镜的数据基础之上更进一步，确认了哈勃早期对膨胀率的测量是准确的，至少对于不很大的宇宙尺度来说是准确的。但它仍然可能存在错误，这些错误可能会增加人们对宇宙更深层次的观察，特别是对更遥远恒星的亮度测量。

因此，新的研究团队对造父变星（Cepheid variable stars）进行了额外的观测，对象为5个宿主星系中共有1,000颗恒星，远至1.3亿光年，并将其与哈勃数据关联起来。韦伯望远镜能够穿透星际尘埃进行观测，这些尘埃使哈勃拍摄的这些恒星的图像变得更加模糊和重叠，因此天文学家可以利用韦伯望远镜更容易地区分单个恒星。

结果进一步证实了哈勃数据的准确性。 “我们已经跨越了哈勃观测到的整个范围，确认测量误差来自哈勃张力，”合著者兼团队负责人、约翰·霍普金斯大学物理学家亚当·里斯（Adam Riess）说，“韦伯和哈勃的结合达到了两全其美的效果。我们发现，当沿着宇宙距离阶梯爬得更远时，哈勃测量依然可靠。测量误差消除后，剩下的就是：我们可能误解了宇宙的真实性，这让人兴奋。”

看来，现有的宇宙理论亟需重新审视，或许下一个理论突破离我们不远了。