哈勃排除了暗能量的一种替代选择

[ 录入者:gohomeman1 | 时间:2011-03-22 19:11:55 | 作者:gohomeman1译 | 来源:哈勃官网 | 浏览:2828次 ]

原文标题:NASA's Hubble Rules Out One Alternative to Dark Energy

原文作者:Adam Riess,Donna Weaver; 来自:http://hubblesite.org/newscenter/; 发表时间:2011.3.14

翻译:gohomeman1  审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

2011.3.14:天文学家使用哈勃太空望远镜以空前精度重新估算了宇宙膨胀速率后,已经排除了暗能量属性的 一个选项。宇宙看上去在加速膨胀,一种解释是宇宙中充斥着于暗能量,它产生与引力相反的 斥力;另一种解释是银河系 处于一个80亿光年直径的 空洞中,假如我们位于中央附近,星 系 在互相加速远离就是一种幻觉。因为天文学家现在把宇宙膨胀的 测量不确定性缩小到3.3%以内,替代解释已被证明无效。这一测量精度比哈勃2009年的 精度又高了30%,研究报告将刊登在4.1出版的 《天体物理学》期刊上。

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插图:WFC3拍摄的 NGC 5584

这是哈勃的 第三代广域相机(WFC3)于2010.1和4月拍摄的 NGC 5584图像,无数群星 中有一类特殊的 造父变星 、以及最近刚爆发的 特殊Ⅰa类超新星 。它们是两类可靠的 量天尺,天文学家以此测定宇宙膨胀速率。NGC 5584位于室女座,离我们约7200万光年,是天文学家测定宇宙膨胀速率的 8个样本星 系 之一。

在这些星 系 中,天文学家共分析了600多个造父变星 ,其中250个位于NGC 5584中。造父变星 的 脉动周期与其本征亮度(绝对星 等)紧密相关,因此成为测量近邻星 系 距离的 理想工具。Ⅰa类超新星 爆发的 最大光度几乎相等,而且非常明亮,可以在很远处看见。天文学家在包含造父变星 的 邻近星 系 中搜Ⅰa类超新星 ,以比较这两类天体的 真实亮度。这些亮度信息用以校准遥远星 系 中Ⅰa类超新星 的 光度并计算它们的 距离。当天文学家了解了这些星 系 的 真实距离后,他们就能确定宇宙膨胀的 速率(其实还需要分析红移值)。

看来暗能量要在宇宙中安营扎寨了。天文学家在使用哈勃太空望远镜以空前精度重新估算了宇宙膨胀速率后,已经排除了暗能量属性的 一个可能选项。正是这种看不见的 神秘斥力在推动宇宙加速膨胀。
暗能量是难以置信的 概念,而被天文学家淘汰的 对立模型也充满奇思异想:假如银河系 在一个80亿光年直径的 空洞中,而我们位于中央附近,星 系 在互相加速远离就是引力造成的 一种幻觉。

现在天文学家已经获得了宇宙膨胀的 更强约束条件,这个最简单的 假设只能出局了。由超新星 哈勃常数状态方程(SHOES)团队领导的 哈勃观测组已经把当前宇宙膨胀速率的 不确定度缩小到3.3%,新的 观测精度比2009年的 哈勃最好精度又提高了30%。当前观测团队由马里兰州巴尔的 摩市太空望远镜科研所兼约翰霍普金斯大学的 亚当•里斯(Adam Riess)主持。

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插图:哈勃常数的 测定说明

宇宙膨胀速率(哈勃常数,H0)的 最新测定值为每百万秒差距73.8千米/秒。这意味着星 系 离我们的 距离每增加326万光年(100万秒差距),它远离我们的 速率就会增加73.8 km/s。

哈勃常数的 不确定度越小,我们对宇宙物质的 组成了解就越清晰。精确了解哈勃常数能进一步缩小暗能量斥力的 大小范围,并有助于天文学家更明确宇宙的 其余属性,比如宇宙的 形状和曾充满早期宇宙的 幽灵粒子——中微子的 数量。

里斯解说道:“就像警察使用雷达测速仪一样,我们使用哈勃的 新相机测量宇宙的 速度。”
里斯团队的 研究报告将刊登在4.1出版的 《天体物理学》期刊上


泡沫破裂

现代物理学中,暗能量是宇宙的 最神秘之谜。甚至爱因斯坦都为了保持宇宙平衡而假想了一种与引力相反的 斥力——(方程中的 )“宇宙常数”;1929年爱德华•哈勃发现了宇宙膨胀,他就放弃了这一想法。但直到1998年,包括里斯团队在内的 两个研究团队才发现了暗能量。

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插图:宇宙中的 巨大空洞

暗能量法是如此的 令人费解,以致于许多科学家开始思考其他的 奇特解决方案,其中就包括宇宙巨泡假说。按照巨泡假说,低密度的 空腔区域比其周围的 稠密宇宙区域膨胀更快(因为引力小),在泡中的 观测者就会看到类似暗能量一样的 宇宙向四处推开的 效果。巨泡假说要求宇宙膨胀速率约为每百万秒差距60~65km/s,明显小于天文学家的 测量值。基于现在哈勃测量的 不确定性已经降低到3.3%,里斯团队报告说,他们团队已经排除了对较小数值的 所有合理置疑。

研究报告的 关键合作者、德克萨斯州大学城农工大学卢卡斯•马克利(Lucas Macri)解释道:“巨泡假说的 最困难之处在于我们必须位于巨泡的 极中心处,这简直就是万中选一的 可能性。但自从我们知道存在某种神秘力量推动宇宙膨胀以来,我们已经有了更准确的 (研究)方向。”

作为宇宙“量天尺”的 恒星

测量宇宙的 膨胀速率极为困难。里斯团队首先要测量星 系 离地球距离远近的 精确值,然后比较这些距离值与因为宇宙膨胀导致的 表观退行速度(简单说,就是红移值)。接着团队用这两个值计算哈勃常数(H0)。由于天文学家不可能直接物理测量星 系 的 距离,研究者需要恒星 或其他天体作为可靠的 宇宙“量天尺”。因此我们要知道它们的 本征亮度(绝对星 等),然后通过比较绝对星 等和它们看上去的 亮度(视星 等)而推知距离。

这些量天尺中,短距离上最可靠的 是造父变星 ,它们量暗的 变化周期与内禀光度紧密相关。但造父变星 还不够亮,遥远星 系 中就看不到了。在极遥远距离上,里斯团队使用了一种特殊的 爆发恒星 ——Ⅰa超新星 ,它爆发的 光度几乎相等,而且非常明亮,可以跨宇宙看见。

通过一系 列的 流程改进、提高和把精密“宇宙阶梯”推向遥远的 宇宙深空,里斯团队明显缩小了哈勃常数的 误差值。他们在搜寻罕见的 同时包含造父变星 和Ⅰa超新星 的 近邻星 系 。通过比较两类天体的 视星 等,研究者精确测量了它们的 绝对星 等,由此既可计算遥远星 系 中Ⅰa超新星 的 距离。

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插图:NGC 5584中的 造父变星

团队借助新安装的 高清晰第三代广域相机(WFC3),在可见光和近红外波段研究了600余颗造父变星 ,多半以上都是首次观测研究。相比里斯团队先前的 哈勃观测,这次测量了更多同时包含两者的 星 系 。许多造父变星 位于尘埃后方,在红外图像中才看得到,更多的 数据意味着更高的 精度。

测定宇宙阶梯的 难途上,由于只使用一个观测仪器——WFC3,里斯团队消除了因使用多个望远镜而不可避免的 系 统校准误差。使用一个仪器测量哈勃常数,就好比测量走廊长度,使用长卷尺比用短尺量精确一样:一次次地放下和捡起短尺必定产生误差。里斯感慨道:“哈勃上的 WFC3相机最擅长此类测量,它不但提供更优的 精度,还比前任耗时更少。,”

天文学家希望哈勃太空望远镜继续本项观测,进一步缩小哈勃常数的 误差值,由此提高暗能量属性的 “纯度”。里斯推测,在哈勃观测能力范围内,哈勃常数的 不确定性还可下降一半,然后更高精度的 观测有待这个十年内将发射的 詹姆斯•韦伯空间望远镜(JWST,工作在红外波段)实现了。

追踪宇宙的 扩张

里斯对暗能量追踪研究了13年。他发现遥远的 Ⅰa超新星 比预想的 更昏暗,这意味着它们比预期的 更遥远,从而共同发现了暗能量的 存在。他认为,造成这一现象的 唯一原因是:宇宙膨胀在过去某个时候被加速了。

在此发现之前,天文学家普遍认为,由于星 系 间的 万有引力作用,宇宙膨胀将逐步减速。但这一研究结果却暗示,有神秘的 力量正在对抗万有引力,推着星 系 们互相加速远离。

里斯认为,缩小暗能量可选解释的 最佳方法是测出更精确的 哈勃常数值。这项研究已经使用哈勃太空望远镜和WMAP进行过。美国宇航局(NASA)发射的 威尔金森宇宙背景辐射各向异性探测器(WMAP),是探测宇宙极早期性质的 空间仪器,远在恒星 和星 系 诞生前、宇宙大爆炸以后不久的 高能背景辐射遗迹,当前已经红移到微波段。

过去八十年间,众多天文学家一直在反复测量哈勃常数,里斯是其中之一。在帮助天文学家精确测量宇宙膨胀方面,哈勃望远镜立下了汗马功劳。在其1990年发射前,哈勃常数的 误差值高达50%(分不清1还是2);1999年,哈勃太空望远镜关键项目之一的 “河外星 系 距离标尺”工程首次把误差缩小到约10%。

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插图:PDF中哈勃常数的 计算说明

Tags:哈勃常数 暗能量

责任编辑:gohomeman1

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