這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化了一種觀點(diǎn),即哈勃張力并非僅僅是測量誤差,而可能反映了當(dāng)前理論無法解釋的真實(shí)物理現(xiàn)象。
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十多年來,宇宙學(xué)一直困于一個令人費(fèi)解的矛盾之中。測量宇宙膨脹的兩種最可靠方法給出了兩個不同的答案。
一組基于鄰近恒星和爆發(fā)的超新星的測量表明,宇宙膨脹速率約為每秒每百萬秒差距73公里。而另一種基于宇宙大爆炸遺留的微弱輻射——即宇宙微波背景輻射——的方法,則指向一個更慢的膨脹速率,約為每秒每百萬秒差距67公里。
這種不匹配,也被稱為哈勃張力,已發(fā)展成為現(xiàn)代物理學(xué)最重大的問題之一。如果這種分歧是真實(shí)存在而非錯誤所致,則可能意味著我們對宇宙的理解并不完整。
如今,一個天文學(xué)家團(tuán)隊從一個完全不同的角度切入此問題,他們通過測量引力透鏡類星體光路中的微小時間延遲來展開研究。他們的新分析為哈勃張力可能反映了真實(shí)物理現(xiàn)象,而不僅僅是過去測量方法失誤的觀點(diǎn)增添了砝碼。
研究作者表示:“哈勃張力至關(guān)重要,因為它可能指向宇宙學(xué)揭示新物理的新時代。”
不依賴距離階梯測量宇宙膨脹
傳統(tǒng)上,天文學(xué)家構(gòu)建距離階梯來估算天體距離以及它們遠(yuǎn)離我們的速度。他們從亮度已知的恒星開始,然后用它們來校準(zhǔn)超新星,再用那些超新星來測量整個宇宙的距離。
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這是一種強(qiáng)大的技術(shù),但每個步驟中的微小不確定性會累積起來,批評者認(rèn)為這可能是哈勃張力背后的原因。這項新研究使用了一種稱為“時間延遲宇宙學(xué)測量法”的方法,完全繞過了這個階梯。它依賴于引力最奇特的技巧之一,即引力透鏡效應(yīng)。
研究人員之一、東京大學(xué)助理教授Eric Wong解釋道:“要使用時間延遲宇宙學(xué)測量哈勃常數(shù),你需要一個質(zhì)量非常大的星系來充當(dāng)透鏡。這個‘透鏡’的引力會使隱藏在其后面的天體(類星體)發(fā)出的光線發(fā)生偏折,環(huán)繞自身彎曲,因此我們看到的是它們扭曲的影像。這被稱為引力透鏡效應(yīng)。”
這種彎曲可以為同一個類星體產(chǎn)生多個影像,每個影像的光線路徑略有不同,因此到達(dá)地球的時間也不同。研究人員使用了八個這樣的透鏡系統(tǒng),每個系統(tǒng)都包含一個前景星系和一個背景類星體。每當(dāng)類星體變亮或變暗時,這些變化都會在多個影像中顯現(xiàn)出來,但存在微小的延遲。
通過精確測量這些延遲,他們可以推算出每條光路的長度。然而,僅靠時間測量還不夠。為了計算膨脹速率,該團(tuán)隊還需要估算透鏡星系內(nèi)部的質(zhì)量分布情況,因為透鏡的形狀決定了光線如何彎曲。
他們結(jié)合了包括詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的世界頂級望遠(yuǎn)鏡拍攝的詳細(xì)圖像,以及星系典型質(zhì)量分布的模型。將時間延遲數(shù)據(jù)和質(zhì)量分布數(shù)據(jù)結(jié)合起來,使他們得以測量哈勃常數(shù),精度約為4.5%。
這項測量支持了在局部宇宙研究中觀測到的較高膨脹速率(約每秒每百萬秒差距73公里),暗示著“哈勃張力”可能反映了真實(shí)的物理現(xiàn)象,而不僅僅是測量誤差。然而,由于不確定性依然存在(特別是關(guān)于透鏡星系內(nèi)部質(zhì)量分布方面),科學(xué)家們尚未準(zhǔn)備好宣布標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型被打破。
更趨一致但尚未確證
這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化了一種觀點(diǎn),即哈勃張力并非僅僅是測量誤差,而可能反映了當(dāng)前理論無法解釋的真實(shí)物理現(xiàn)象。
例如,如果宇宙在過去以不同于標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)預(yù)測的方式膨脹,或者如果某種未知形式的能量或粒子起了作用,這可能迫使科學(xué)家重寫大爆炸模型的部分內(nèi)容。
然而,研究人員強(qiáng)調(diào),仍有大量工作要做。他們面臨的主要局限是透鏡星系內(nèi)部質(zhì)量分布的不確定性;即使是很小的偏差也會改變最終數(shù)值。他們還需要更大的樣本量。八個系統(tǒng)不足以達(dá)到明確判定是否需要新物理的所需精度(1%至2%)。
研究作者之一、東京大學(xué)博士后研究員Eric Paic表示:“目前,我們的精度約為4.5%,為了真正將哈勃常數(shù)鎖定在能夠明確證實(shí)哈勃張力的水平,我們需要達(dá)到約1-2%的精度。”
他們的下一步是增加時間延遲透鏡的數(shù)量,收集更清晰的圖像,并排除任何剩余的誤差來源。隨著新型強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡投入使用,研究作者相信這種方法很快能提供更精確的測量結(jié)果。
Paic說:“這項工作的主要焦點(diǎn)是改進(jìn)我們的方法論,現(xiàn)在我們需要增加樣本量以提高精度,并最終解決哈勃張力問題。”
該研究已發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》期刊上。
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