哈勃太空望远镜在宇宙膨胀率之谜上取得新的里程碑

NASA的哈勃太空望远镜完成了近30年的马拉松比赛,校准了40多个时空“里程碑”,以帮助科学家精确测量宇宙的膨胀率——这是一项曲折的探索。

这组来自NASA哈勃太空望远镜的 36 幅图像展示了这些特征星系,它们都是造父变星和超新星的宿主。 这两种天体现象都是天文学家用来确定天文距离的重要工具,并已被用于改进我们对哈勃常数(宇宙膨胀率)的测量。
这张照片中显示的星系(从顶行,左行到底行,右行)是:NGC 7541,NGC 3021,NGC 5643,NGC 3254,NGC 3147,NGC 105,NGC 2608,NGC 3583,NGC 3147,Mrk 1337,NGC 5861,NGC 2525,NGC 1015,UGC 9391,NGC 691,NGC 7678,NGC 2442,NGC 5468,NGC 5917,NGC 4639,NGC 3972,触角星系,NGC 5584,M106,NGC 7250,NGC 3370,NGC C 5728、NGC 4424、NGC 1559、NGC 3982、NGC 1448、,NGC 4680、M101、NGC 1365、NGC 7329和NGC 3447。
影像来源:NASA, ESA, Adam G. Riess (STScI, JHU)

天文学家埃德温·哈勃和乔治·莱马蒂于20世纪20年代开始了对宇宙膨胀率的研究。1998年,这导致了“暗能量”的发现,这是一种加速宇宙膨胀的神秘排斥力。近年来,得益于哈勃和其他望远镜的数据,天文学家发现了另一个转折点:在局部宇宙中测得的膨胀率与大爆炸后的独立观测结果之间存在差异,后者预测了不同的膨胀值。

这种差异的原因仍然是个谜。但是哈勃的数据,包括了作为距离标记的各种宇宙物体,支持了一些奇怪的事情正在发生的观点,这可能涉及到全新的物理学。

太空望远镜科学研究所和马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学的诺贝尔奖获得者亚当里斯说:“通过望远镜和宇宙里程标记的黄金标准,可以最精确地测量宇宙的膨胀率。”

里斯领导了一个研究宇宙膨胀速率的科学合作项目,该项目被称为SH0ES,即超新星,H0,暗能量状态方程的缩写。“这就是哈勃太空望远镜所要做的,它使用了我们所知道的最好的技术。这很可能是哈勃的杰作,因为哈勃还需要30年的寿命才能将样本量增加一倍。”

里斯团队的论文将发表在《天体物理学杂志》的特别焦点刊上,报告完成了对哈勃常数最大的、可能也是最后一次重大更新。新结果是先前宇宙距离标记样本的两倍多。他的团队还重新分析了所有先前的数据,整个数据集现在包括 1,000 多个哈勃轨道。

上世纪70年代,NASA构想出一架大型太空望远镜,其花费巨资和非凡技术努力的主要理由之一是能够分辨出造父变星(仙王座)。即在我们的银河系和外部星系中观测到的周期性变亮和变暗的恒星。自1912年天文学家亨丽埃塔·斯旺·莱维特发现造父变星以来,造父变星一直是宇宙英里标记的黄金标准。为了计算更远的距离,天文学家使用了一种名为Ia型超新星的爆炸恒星。

20世纪70年代,当NASA构想出一台大型太空望远镜时,其花费和非凡的技术努力的主要理由之一是能够分辨造父变星,即周期性变亮和变暗的恒星,这些恒星可以在我们的银河系和外部星系中看到。自1912年天文学家亨丽埃塔·斯旺·莱维特发现造父变星以来,造父变星一直是宇宙英里标记的黄金标准。为了计算更远的距离,天文学家使用了一种名为Ia型超新星的爆炸恒星。

这些物体结合在一起,在整个宇宙中形成了一个“宇宙距离阶梯”,对于测量宇宙膨胀率至关重要,被称为哈勃常数,以埃德温·哈勃命名。该值对于估计宇宙年龄至关重要,并为我们对宇宙的理解提供了一个基本测试。

1990年哈勃发射后,两个团队对造父变星进行了第一组观测,以完善哈勃常数:温迪·弗里德曼、罗伯特·肯尼科特、杰里米·莫德和马克·阿伦森领导的HST关键项目,以及艾伦·桑德奇及其合作者领导的另一个项目,他们使用造父变星作为里程碑标记来改进与附近星系的距离测量。到本世纪初,研究小组宣布哈勃常数的精确度达到10%,即72±8公里/兆帕·秒,从而“完成了任务”。

2005年和2009年,哈勃望远镜上新增了功能强大的新摄像头,这开启了哈勃望远镜的“第二代”持续研究,各团队开始开始将数值的精确度提高到1%。这是由SH0ES计划启动的。包括SH0ES在内的几个使用哈勃望远镜的天文学家小组已经将哈勃常数收敛到73±1公里/兆帕·秒。虽然其他方法已被用于研究哈勃常数问题,但不同的团队得出接近相同的数值。

SH0ES团队包括长期领导者约翰·霍普金斯大学袁文龙博士、德克萨斯农工大学卢卡斯·麦克里博士、STScI的斯特凡诺·卡塞塔诺博士和杜克大学的丹·斯科利尼博士。该项目旨在通过匹配从研究宇宙黎明时遗留下来的宇宙微波背景辐射推断出的哈勃常数的精度来支撑宇宙。

ICREA和ICC巴塞罗纳大学的宇宙学家利西亚·维德博士在谈到SH0ES团队的工作时说:“哈勃常数是一个非常特殊的数字。它可以用来从过去到现在进行一场端对端测试,测试我们对宇宙的理解。这需要大量的详细工作。”

该团队用哈勃望远镜测量了42个超新星里程碑标记。由于观测到它们以每年大约1倍的速度爆炸,哈勃已经记录了尽可能多的超新星,以测量宇宙膨胀。里斯说:“我们有哈勃望远镜在过去40年中观测到的所有超新星的完整样本。”就像百老汇音乐剧《俄克拉荷马》中的歌曲《堪萨斯城》中的歌词一样,哈勃“走得很快!”

奇怪的物理学?

据预测,宇宙的膨胀速度比哈勃实际看到的要慢。 通过结合宇宙标准宇宙学模型和欧洲航天局普朗克任务的测量结果(观测138亿年前遗留的宇宙微波背景),天文学家预测哈勃常数的值会更低:67.5±0.5公里/兆帕·秒,而SH0ES团队的估计是73公里/兆帕·秒。

里斯说,考虑到哈勃望远镜的样本量很大,天文学家因抽奖不走运而犯错的可能性只有百万分之一,这是物理学中认真对待问题的常见门槛。 这一发现解开了宇宙动力学演化的一幅美丽而整洁的图画。天文学家无法解释局部宇宙与原始宇宙膨胀率之间的脱节,但答案可能涉及宇宙的其他物理现象。

对于里斯这样的宇宙学家来说,这些令人困惑的发现让它们更加兴奋。三十年前,他们开始测量哈勃常数来衡量宇宙,但现在它变得更有趣了。里斯补充道:“实际上,我不在乎膨胀值具体是多少,但我喜欢用它来了解宇宙。”

NASA新的韦伯太空望远镜将在哈勃望远镜的基础上,以比哈勃望远镜所能看到的更远的距离或更清晰的分辨率显示这些宇宙里程碑标记。

哈勃太空望远镜是NASA和ESA(欧洲航天局)之间的国际合作项目。位于马里兰州绿带的美国宇航局戈达德航天飞行中心负责管理这台望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的空间望远镜科学研究所(STScI)负责哈勃科学操作。STScI由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运营。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/hubble-reaches-new-milestone-in-mystery-of-universes-expansion-rate

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