作者:冯维维 来源: 中国科学报 发布时间:2019-11-12
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量化宇宙最基本定律之一
科学家进一步精确宇宙膨胀速度

 

图片来源:《自然》

美国克莱姆森大学一个天体物理学团队运用最先进的技术和方法,量化宇宙最基本的定律之一。

在11月8日发表于《天体物理学杂志》的论文中,克莱姆森大学的Marco Ajello、Abhishek Desai、Lea Marcotulli、Dieter Hartmann与世界各地的其他6名科学家合作,设计了一种新方法测量哈勃常数,这是描述宇宙膨胀速率的计量单位。

“宇宙学是理解人们所处的宇宙的演变——它在过去是如何演变的、当前在做什么,以及将来会发生什么。”该校物理与天文系副教授Ajello说,“我们的知识基于包括哈勃常数在内的许多参数,我们在尽可能地对其进行精确测量。在这篇论文中,我们的团队分析了从轨道望远镜和地面望远镜获得的数据,得出了迄今为止关于宇宙膨胀速度的最新测量数据。”

宇宙膨胀的概念是由美国天文学家埃德温·哈勃(1889—1953)提出的,哈勃太空望远镜正是以他的名字命名。在20世纪早期,哈勃成为第一批推断宇宙是由多个星系组成的天文学家之一。他此后的研究产生其最著名的发现:星系之间的相互远离速度与它们之间的距离成正比。

哈勃最初估计的宇宙膨胀速率是每百万秒差距每秒500公里,这意味着当两个星体间的远离时间每过一百万秒(相当于326万光年),它们之间的远离速度就会增加500千米/秒。哈勃得出的结论是,距离太阳系两百万秒差距的星系后退速度是距离太阳系1百万秒差距的星系后退速度的两倍。这一估计被称为哈勃常数,它首次证明了宇宙在膨胀。自那以后,天文学家一直在重新校准它,结果喜忧参半。

在飞速发展的技术的帮助下,天文学家得出了与哈勃最初的计算结果截然不同的测量结果——将膨胀速率降低到每百万秒差距50至100公里/每秒。在过去十年里,普朗克卫星等超精密仪器,以一种激动人心的方式提高了哈勃最初测量的精度。

合作团队对比了费米伽马射线太空望远镜和大气切伦科夫成像望远镜收集到的最新的伽马射线衰减的数据,来设计他们对银河系外背景光(EBL)的估值模型。这一方法使测量值达到了每百万秒差距约67.5公里/秒。

伽马射线是能量最强的一种光。EBL是一种宇宙雾,由恒星或其附近的尘埃发出的所有紫外线、可见光和红外光组成。当伽马射线和EBL相互作用时,会留下可观察到的印记——随着流量的逐渐减少,科学家可以分析这些印记形成假设。

“天文学界投入大量资金和资源,用各种不同的参数进行精确的宇宙学研究,包括哈勃常数。”该校物理学和天文学教授Hartmann说,“我们对这些基本常数的理解定义了现在所知道的宇宙。当我们对规律的理解变得更精确时,我们对宇宙的定义也会变得更精确,这将带来新的见解和发现。”

宇宙膨胀的一个常见类比是气球上的点,每个点代表一个星系。当气球被吹大时,这些点就越来越远。

“一些理论认为,气球会膨胀到一个特定的时间点,然后再次坍缩。”该校天文物理系博士Desai说,“但最普遍的看法是,宇宙将继续膨胀,直到一切都变得如此遥远,再也看不到任何可观测到的光。在这一点上,宇宙将遭受寒冷的死亡,但这没什么好担心的。如果发生这种情况,那将是数万亿年后的事了。”

但如果气球的类比是正确的,那到底是什么在吹气球呢?

“包括恒星、行星甚至是我们在内的物质,只是宇宙整体组成的一小部分。”Ajello解释道,“宇宙的大部分是由暗能量和暗物质组成的。我们认为是暗能量在‘吹大气球’。暗能量将物体相互推开。引力是物体相互吸引的力量,在局部水平上是更强的力量,这就是为什么一些星系会继续碰撞。但在宇宙距离中,暗能量是主导力量。”

“我们用伽马射线研究宇宙学,这一点非常突出。这一技术允许我们使用一种独立的策略,即独立于现有方法的新方法,来测量宇宙的关键属性。”研究合作者、马德里孔普卢腾斯大学的Alberto Dominguez说,“我们的研究结果表明,高能天体物理学这一相对较新的领域在过去十年中已经趋于成熟。我们开发的分析为将来使用切伦科夫望远镜阵列进行更好的测量铺平了道路,它将是有史以来最雄心勃勃的地面高能望远镜阵列。”

新论文采用的许多技术与Ajello及其合作者此前的工作相关。在之前发表于《科学》杂志的一项研究中,Ajello和团队测量了宇宙历史上发出的所有星光。

“我们知道,来自银河系外的伽马射线光子在宇宙中向地球传播,在地球上,它们可以通过与来自恒星的光子相互作用而被吸收。”Ajello说,“相互作用的速度取决于它们在宇宙中传播的距离。而它们运动的距离取决于膨胀。如果膨胀率低,它们移动的距离就短。如果膨胀率高,它们则会移动更长的距离。所以我们测量的吸收量很大程度上取决于哈勃常数的值。我们所做的就是把它反过来,用它来约束宇宙膨胀率的值。”(冯维维编译)

相关论文信息:https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab4a0e

《中国科学报》 (2019-11-12 第8版 探索发现)
 
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