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由哈勃太空望遠鏡前景星系鏡頭拍攝的遙遠類星體的圖像,用於測量哈勃常數。 ( S. H. Suyu / TUM / MPA, K. C. Wong / Univ. Tokio; NASA; ESA)

天文學家最新公佈鄰近宇宙膨脹進一步加速 宇宙會象吹氣球一樣膨脹到爆嗎?

【希望之聲2020年1月15日】(編輯:田喆)2020年1月8日,在美國夏威夷檀香山舉行的第235屆美國天文學會年會上,天文學家公佈了宇宙膨脹速度測量的最新結果。令人驚訝的是,新結果與以前的觀測結果有巨大差異。

最新結果使用引力透鏡法進行測量。由於宇宙中星系的巨大引力,它們可以像一個巨型放大鏡一樣,放大並扭曲了來自其背後天體的光。利用這個效應天文學家可以精確測量星系與地球的距離,從而測定宇宙膨脹速度。

然而,研究人員發現新方法測定的鄰近宇宙的膨脹速率與之前通過微波背景輻射所測定的遙遠宇宙的膨脹速率之間有明顯的差異。

宇宙的膨脹速率一般用哈勃常數來描述。知道哈勃常數的精確值對於確定宇宙的年齡、大小、以及宇宙的演化至關重要。揭開這個謎底是近年來天體物理學面臨的最大挑戰之一。新研究結果表明我們現有的宇宙模型可能存在巨大漏洞,需要新理論來解釋鄰近宇宙和遙遠宇宙之間哈勃常數的差異。

進行新的哈勃常數測量的研究項目叫作H0LiCOW。該項目組在過去的二十年中極大的改進了引力透鏡測量哈勃常數的技術。

H0LiCOW和其它最近的測量結果表明,鄰近宇宙的哈伯常數比歐洲航天局的普朗克衛星(Planck satellite)對遙遠宇宙中微波背景輻射進行的哈勃常數測量要更大。

H0LiCOW小組負責人、德國馬克斯•普朗克天體物理學研究所(Max Planck Institute for Astrophysics)的研究員、同時也任職臺灣中央研究院的蘇遊瑄(Sherry Suyu)教授說:“如果這些結果不一致,則可能暗示我們尚未完全理解物質和能量如何隨時間演化,特別是在早期時的演化。”

H0LiCOW團隊使用哈勃望遠鏡觀測了六個遙遠類星體發出的光線。(1950年代初,英國、澳大利亞天文學家注意到他們的無線電天線可以接收到一些來自天外的電波。古爾德和霍伊爾率先意識到這些電波來自銀河之外,可能非常遙遠。因爲用光學天文望遠鏡看不到發射這些電波的源頭,不知道是不是來自恆星、星系,便暫時把它們的來源叫做“類星體”(quasar。這個詞是華裔物理學家丘宏義(Hong-Yee Chiu)生造出來的。)

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類星體的藝術想象圖(ESO/M. Kornmesser/wikimedia commons)

望遠鏡觀察到來自每個類星體的光如何通過巨大的前景星系的引力扭曲放大成四個圖像。研究的星系距離我們有30億到65億光年。類星體與地球的平均距離爲55億光年。

來自每個透鏡類星體圖像的光線到達地球的路徑略有不同。爲了追蹤每條路徑,天文學家監視了類星體的黑洞吞噬物質時產生的閃光。當光線閃爍時,每個被引力透鏡的圖像會在不同的時間變亮。

這一閃爍序列使研究人員能夠測量透鏡光沿着其到達地球路徑時每個圖像之間的時間延遲。然後,天文學家可以推斷出從星繫到類星體,以及從地球到星系之間的距離。通過比較這些距離值,研究人員測量了宇宙的膨脹速率,即哈勃常數

團隊成員,日本東京大學科維理宇宙物理學與數學研究所的研究員Kenneth Wong說:“每個時延的長短都表明宇宙膨脹的速度。如果時間延遲更短,那麼宇宙在以更快的速度膨脹。如果時間更長,則說明膨脹速度更慢。”

研究人員計算出的哈勃常數值爲每兆秒差距73公里/秒,其不確定性爲2.4%。這意味着,由於宇宙的膨脹,每離開地球330萬光年,一個星系就會以每秒73公里的速度遠離我們。

該團隊的測量值接近於另一個叫作SH0ES的團隊測量的的哈勃常數。 SH0ES的測量是基於通過使用造父變星和超新星來測量星系的距離。

但是,SH0ES和H0LiCOW值與普朗克衛星測定的哈勃常數大約每兆秒差距67公里/秒的結果顯著不同。

“我們克服的挑戰之一是通過一個稱爲COSMOGRAIL的項目進行專門的監視程序,以獲取其中一些類星體透鏡系統的時間延遲。” COSMOGRAIL項目負責人,瑞士洛桑聯邦理工學院(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne )的研究員Frédéric Courbin說。

從2012年開始,H0LiCOW團隊已獲得哈勃圖像和10個被引力透鏡的類星體及其引力透鏡星系的時延信息。該團隊的目標是觀察30個以上的透鏡類星體系統,以將其2.4%的不確定度降低到1%。

自從宇宙誕生以來,它就一直在膨脹。天文學家對宇宙膨脹的速度一直爭論不休,各種觀點也越來越令人眼花繚亂。從鄰近來源測量的膨脹速率,似乎與從遙遠來源測量的膨脹速率相沖突。一種可能的解釋是,宇宙中發生了一些奇怪的事情,改變了膨脹速率。

宇宙膨脹的一個常見類比是氣球上的點,每個點代表一個星系。當氣球被吹大時,這些點就越來越遠。如果氣球的類比是正確的,那到底是什麼在吹氣球呢?

意大利帕多瓦大學的理論物理學家馬西莫•塞爾多尼奧(Massimo Cerdonio)提出,宇宙中出現了一種全新的粒子,並且正在改變我們整個宇宙的未來命運。

主導目前宇宙膨脹的是一種神祕的現象,科學家稱之爲暗能量。就這種我們根本不理解的東西而言,這是一個恰如其分的名字。我們只知道,宇宙的膨脹速率還在增加,而驅動這種加速的力量就是“暗能量”。

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ΛCDM模型,加速擴張的宇宙。(Design Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia commons)

在年輕宇宙與現今宇宙的比較中,物理學家假設暗能量(不管它到底是什麼)是恆定的。但如果是這樣的假設,分歧就仍然存在,因此可能暗能量正在改變。

讓我們假設暗能量正在改變。科學家猜測暗能量可能與被鎖在時空真空中的能量有關。這種能量來自於宇宙中瀰漫的“量子場”。在現代量子物理學中,每一種粒子都與特定的場聯繫在一起。這些場“沖刷”着所有的時空,有時,場的一部分還會在某些地方變得非常活躍,形成已知的粒子,比如電子、夸克和中微子等。所有的電子都屬於電子場,所有的中微子都屬於中微子場,以此類推。這些場的相互作用構成了我們理解量子世界的基礎。

無論去到宇宙的什麼地方,你都無法逃離量子場。即使某個特定位置的量子場沒有足夠的振動來產生一個粒子,它們也仍然在那裏,不斷搖擺和振動,做着正常的量子運動。因此,這些量子場具有一定的與之相關的能量,即使在真空中也是如此。

如果我們想利用時空真空的量子能量來解釋暗能量,我們馬上就會遇到問題。科學家進行了一些非常簡單的計算,估計真空中有多少能量是由所有的量子場引起的,結果得到一個比觀察到的暗能量強120個數量級的數值。然而,當科學家嘗試一些更複雜的計算時,得到的結果卻是零。這也與暗能量的測量值不一致。

因此無論如何,我們都很難通過時空真空能量(由量子場產生的能量)來理解暗能量。但是,如果宇宙膨脹速率的測量都是準確的,那就表明暗能量確實在變化,這可能會給我們一些瞭解量子場本質的線索。具體來說,如果暗能量在變化,那就意味着量子場本身也在變化。

馬西莫•塞爾多尼奧(Massimo Cerdonio)近期在阿奇夫論文預印本網站arXiv上發表了一篇論文,計算了暗能量變化所需的量子場變化量。

如果存在一個與暗能量變化有關的新量子場,那就意味着宇宙中存在一種新的粒子。塞爾多尼奧計算出的暗能量變化值要求特定的粒子質量,而這一質量剛好與此前預測的一種新粒子的質量大致相同,那就是所謂的軸子(axion)。物理學家提出這個假想粒子的原因,就是爲瞭解決我們在理解強核力的量子理論時遇到的一些問題。

軸子可能出現於非常早期的宇宙,但一直“潛伏”在宇宙微波背景中,由其他力和粒子控制着宇宙的走向。現在可能輪到軸子發揮作用了……即便如此,我們還從未探測到軸子。如果科學家的計算是準確的,那就意味着軸子確實存在,充滿了宇宙和宇宙中的量子場。或許軸子通過改變宇宙中暗能量的數量,已經引起了科學家的注意。儘管還從未在實驗室裏探測過這種粒子,但它可能正在最大的尺度上改變着宇宙。

我們都知道,如果氣球一直吹,最終的結果就是爆掉。宇宙的膨脹速度正越來越快,宇宙會象吹氣球一樣膨脹到爆嗎?

責任編輯:田喆

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