哈勃发现宇宙比我们预期的膨胀更快

[ 录入者:gohomeman1 | 时间:2017-02-10 21:18:44 | 作者:gohomeman1译 | 来源:欧洲哈勃信息中心 | 浏览:2539次 ]

原文标题:Cosmic lenses support finding on faster than expected expansion of the Universe

原文作者:苏游瑄,Vivien Bonvin,Frédéric Courbin;Mathias Jäger

来自:欧洲哈勃信息中心; 发表时间:2017.1.26

翻译:gohomeman1  审校:数星星的猫(编译版权所有,未经许可请勿转载)

2017.1.26:借助星系团强大的引力透镜效应,一个国际天文学家团队使用美国宇航局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的哈勃太空望远镜,对宇宙膨胀速率进行了独立的测量。测量结果表明,邻近的本地宇宙区域的膨胀速率,与此前的结果一致;但是引人注目的是早期宇宙的速率不一致,这暗示我们对宇宙(膨胀)的理解可能存在根本性的问题。

哈勃拍摄的引力透镜类星体案例。大图:22.4MB,版权:NASA、ESA,研究者团队;下同。

本图由哈勃高级巡天相机(ACS)的广域通道(WFC)和第三代广域相机(WFC3)拍摄,图像视场:1.68×1.68角分。伪彩配色如下:ACS,555nm(纳米)的黄绿光,配色蓝;814nm的近红外光,绿;WFC3,1.6微米的近红外线,红。目标类星体编号HE0435-1223,红移z=1.689,天球坐标:赤经04时38分14.89秒,赤纬-12°17'15.19"。

表述宇宙膨胀速率的哈勃常数(缩写H0,0是数字,非字母)——是我们宇宙的基本属性之一。由台湾中央研究院天文物理研究所(ASIAA)的访问学者苏游瑄(Sherry Suyu,从ASIAA网站搜到姓名)领衔的H0LiCOW合作组,借助哈勃望远镜和其他大型空间及地基望远镜(注1),分别对5个星系目标进行了观测,独立测量了哈勃常数(样本是否太少?译注)。苏游瑄还在德国马克斯-普朗克研究院天体物理研究所(MPIA)和慕尼黑理工学院任职,而HoLiCOW是H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring 的缩写,后面那串又是 COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses的缩写,总体意思就是“用引力透镜源分析宇宙学膨胀速率以测量哈勃常数”项目(注2)。

新的测量结果是完全独立的,但是与其他测量方法获得的H0能够很好地相符——这些方法使用造父变星和超新星作为标准量天尺以确定本地宇宙的哈勃常数。

苏游瑄和她的团队的测量值虽然与造父变星—超新星的测量结果相符,却与ESA的普朗克卫星(ESA Planck satellite)的测量值相左。不过这里有一点要着重说明——普朗克卫星是通过观测早期宇宙的微波背景辐射测定哈勃常数。

题图中央类星体的放大图,成了4个像。下图为本案研究的另一个类星体B1608+656,红移z=1.394。红移越大,距离越远。大图:652KB

普朗克卫星获得的哈勃常数与我们当前对宇宙的理解一致,但其他天文学家团队得到的数据却与我们当前接受的宇宙理论模型不同。苏游瑄阐述:“现在我们已经能用不同的方式,相当高精度地测量宇宙膨胀的速率,而产生的差异可能指向超出我们当前宇宙认知的新物理现象。”

团队的研究对象是介于地球和极遥远类星体之间的大质量星系。类星体是极为明亮的活动星系核,其发出的光通过大质量星系时,因强引力透镜效应(注3)而发生弯曲,这就使得单个类星体产生了多个像,某些情况下还能延伸为光弧。

因为星系本身不能产生完美的球形空间畸变(星系的质量分布不可能完全对称),而且类星体和作为透镜的星系本身也不是处于完美的同一条视线上,所以各个类星体像的光路有细微的差别。因为类星体的亮度随着时间而改变,故此天文学家能够看到类星体的各个像随着时间分别改变。图像光变的延时由各自的光路决定;而这个延迟的时间,就取决于哈勃常数。研究报告合作者、瑞士洛桑联邦理工学院(EPEL)的Frédéric Courbin继续解说:“我们的方法是测量哈勃常数的最直接、简单的方法,只使用了(空间)几何学和广义相对论,不需要任何其他的假设。”

通过对多个图像(光度变化)时延的精确测量,并比对计算机模拟,团队把哈勃常数的测量精度提高到令人激动的高度:3.8%(注4)。团队成员、同在瑞士洛桑联邦理工学院的Vivien Bonvin 强调:“在当今的宇宙学研究中,高精度测定哈勃常数是非常吃香的领域;”而Suyu总结说:“哈勃常数对当代天文学具有决定性作用,它能支持或者否定我们对宇宙的描述——由正常物质、暗物质和暗能量组成,到底是恰当的,还是遗漏了某些重要组成。”

团队成果以一系列研究报告刊登在最近几期的《皇家天文学会月度通讯》上(已发表的共5篇,团队网站上已经登出7篇,其中第一篇发表在《自然》期刊上,具体标题从略)。

本案研究的又一个类星体RXJ1131-1231,同样是4个像。蓝色光弧是类星体所在的宿主星系的像,中央的弥漫天体就是起透镜作用的星系,上图同理。大图:330KB

附注:

1、研究团队除了动用哈勃太空望远镜外,还使用了NASA的斯皮策红外空间望远镜;位于夏威夷的10米(口径)凯克望远镜、8.1米双子北座望远镜、(日本)8.2米昴星团望远镜、加拿大-法国-夏威夷 3.6米望远镜;欧洲南方天文台(ESO)位于智利的8.4米甚大望远镜(VLT);位于基特峰的美国国立天文台的Victor M. Blanco 4米望远镜;另外还使用了ESO位于智利拉西亚天文台的德国2.2米马克斯-普朗克望远镜、和瑞士1.2米欧拉望远镜的历史观测数据。

2、本案中天文学家运用的引力透镜延时模型在确定哈勃常数时尤为重要,因为宇宙的三大组分——正常(重子)物质、暗物质、暗能量在这种分析中,各自所起的作用基本完全独立。虽然没有彻底不相干,但是模型中它们的相互作用很弱。

3、一个多世纪前,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)首先在广义相对论中预言了引力透镜效应:所有的物质都会弯曲其所在的空间,质量(密度)越大,空间弯曲得越厉害。在大质量星系等巨大质量的团块周围,空间弯曲效应使得通过的光线明显地偏离原先光路,能被遥远的观测者清晰地看到,这就是强引力透镜效应。

4、H0LiCOW团队测得的哈勃常数为每百万秒差距 71.9±2.7千米/秒(km/s),±2.7表示测量误差(3.8%),1秒差距= 3.2616光年。2016年,科学家使用哈勃望远镜测得的常数为 73.24±1.74 km/s(比本案的精度高,2.4%);2015年,普朗克卫星测得迄今精度最高的H0= 66.93±0.62 km/(s·百万秒差距),该精度已达0.93%。(普朗克测定的是最遥远宇宙的H0,而哈勃望远镜测得的相对较近,数值却更大;因此宇宙在明显的加速膨胀,译注。)

研报PDF插图,基于不同宇宙学模型下的哈勃常数范围。模型参数由左图的纵轴和右图的纵横轴给出。绿虚线基于2009年的哈勃超新星观测数据,粉红虚线基于2010年数据,黑实线是本案两个类星体的数据。

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