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破解哈勃難題：中子星碰撞有望照亮研究宇宙膨脹之路

2023-10-09 10:47:07 來源：cnBeta

尼爾斯-玻爾研究所（Niels Bohr Institute）建議利用千新星（中子星合并產(chǎn)生的爆炸）來解決宇宙膨脹率測(cè)量中的差異問題。初步結(jié)果很有希望，但還需要更多的案例來驗(yàn)證。

近年來，天文學(xué)陷入了危機(jī)：盡管我們知道宇宙在膨脹，盡管我們知道膨脹的大致速度，但測(cè)量這種膨脹的兩種主要方法卻不一致。現(xiàn)在，尼爾斯-玻爾研究所的天體物理學(xué)家提出了一種新方法，或許有助于解決這一矛盾。

宇宙膨脹

【資料圖】

自從大約 100 年前埃德溫-哈勃和其他天文學(xué)家測(cè)量了周圍一些星系的速度后，我們就知道了這一點(diǎn)。宇宙中的星系被這種膨脹"帶"走，從而彼此后退。

兩個(gè)星系之間的距離越遠(yuǎn)，它們之間的移動(dòng)速度就越快，而這種移動(dòng)的精確速度是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最基本的量之一。描述宇宙膨脹的數(shù)字被稱為"哈勃常數(shù)"，它出現(xiàn)在宇宙及其組成成分的眾多不同方程和模型中。

星系靜靜地躺在太空中，但太空本身卻在膨脹。這導(dǎo)致星系以不斷增加的速度彼此遠(yuǎn)離。不過具體有多快還是個(gè)謎。圖片來源：ESO/L. 卡爾卡達(dá) 星系在太空中靜止不動(dòng)，但太空本身卻在不斷膨脹。這就導(dǎo)致星系以越來越快的速度相互遠(yuǎn)離。不過具體有多快還是個(gè)謎。資料來源：ESO/L. 卡爾卡達(dá)

哈勃難題

因此，要了解宇宙，我們必須盡可能精確地知道哈勃常數(shù)。有幾種方法可以測(cè)量哈勃常數(shù)；這些方法相互獨(dú)立，但幸運(yùn)的是，它們得到的結(jié)果幾乎相同。

原則上，最容易理解的直觀方法就是埃德溫-哈勃和他的同事們?cè)谝粋€(gè)世紀(jì)前使用的方法：找到一堆星系，測(cè)量它們的距離和速度。實(shí)際上，這是通過尋找恒星爆炸的星系，即所謂的超新星來實(shí)現(xiàn)的。這種方法還輔以另一種方法，即分析所謂宇宙背景輻射中的不規(guī)則現(xiàn)象；這是一種古老的光形式，可以追溯到宇宙大爆炸后不久。

這兩種方法--超新星法和背景輻射法--得出的結(jié)果總是略有不同。但任何測(cè)量都有不確定性，而幾年前的不確定性已經(jīng)足夠大，我們可以把這種差異歸咎于不確定性。

左半球顯示的是 1572 年第谷-布拉赫（Tycho Brahe）發(fā)現(xiàn)的超新星不斷膨脹的殘留物，這里用 X 射線觀察（圖片來源：NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.）。右圖是用微波觀測(cè)到的半邊天宇宙背景輻射圖。資料來源：NASA/WMAP 科學(xué)小組

盡管如此，隨著測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，不確定性也在不斷減小，現(xiàn)在我們已經(jīng)可以非常有把握地指出，這兩個(gè)結(jié)果不可能都是正確的。

這種"哈勃麻煩"的根源--是未知的影響系統(tǒng)性地偏離了其中一個(gè)結(jié)果，還是暗示了尚未發(fā)現(xiàn)的新物理學(xué)--是目前天文學(xué)最熱門的話題之一。

哈勃常數(shù)差異

宇宙的膨脹是以"單位距離速度"來衡量的，每百萬光年的膨脹速度略高于 20 千米/秒。這意味著，一個(gè)位于1億光年外的星系以每秒2000千米的速度從我們身邊退去，而另一個(gè)位于2億光年外的星系則以每秒4000千米的速度退去。

然而，利用超新星測(cè)量星系的距離和速度可以得到 22.7 ± 0.4 千米/秒的結(jié)果，而分析宇宙的背景輻射則可以得到 20.7 ± 0.2 千米/秒的結(jié)果。

關(guān)心這樣一個(gè)小小的分歧聽起來似乎有些瑣碎，但它可能意義重大。例如，這個(gè)數(shù)字出現(xiàn)在宇宙年齡的計(jì)算中，兩種方法得出的年齡分別為 128 億年和 138 億年。

準(zhǔn)確測(cè)定星系的距離是最大的挑戰(zhàn)之一。但在一項(xiàng)新的研究中，哥本哈根尼爾斯-玻爾研究所宇宙黎明中心的天體物理學(xué)博士生阿爾伯特-斯內(nèi)彭提出了一種測(cè)量距離的新方法，從而有助于解決目前的爭(zhēng)議。

"當(dāng)兩顆超緊湊中子星--它們本身就是超新星的殘余物--相互繞行并最終合并時(shí)，它們會(huì)發(fā)生新的爆炸，即所謂的千新星，"阿爾伯特-斯奈本解釋說。"我們最近證明了這種爆炸如何具有顯著的對(duì)稱性，事實(shí)證明這種對(duì)稱性不僅美麗，而且非常有用。"

在剛剛發(fā)表的第三項(xiàng)研究中，這位多產(chǎn)的博士生表明，千新星盡管復(fù)雜，卻可以用單一溫度來描述。事實(shí)證明，千新星的對(duì)稱性和簡(jiǎn)單性使天文學(xué)家能夠準(zhǔn)確推斷出它們發(fā)出多少光。

將這一光度與到達(dá)地球的光度相比較，研究人員就能計(jì)算出千新星距離地球有多遠(yuǎn)。他們由此獲得了一種新穎、獨(dú)立的方法來計(jì)算含有千新星的星系的距離。

達(dá)拉赫-沃森（Darach Watson）是宇宙黎明中心的副教授，也是這項(xiàng)研究的合著者之一。他解釋說："到目前為止，人們一直用超新星來測(cè)量星系的距離，但超新星發(fā)出的光量并不總是相同的。此外，它們首先要求我們使用另一類恒星（即所謂的仙王座恒星）來校準(zhǔn)距離，而仙王座恒星也必須進(jìn)行校準(zhǔn)。有了千新星，我們就可以避開這些給測(cè)量帶來不確定性的復(fù)雜問題。"

初步發(fā)現(xiàn)和未來步驟

為了證明其潛力，天體物理學(xué)家將該方法應(yīng)用于 2017 年發(fā)現(xiàn)的一顆千新星。結(jié)果是哈勃常數(shù)更接近本底輻射法，但千新星法能否解決哈勃麻煩，研究人員還不敢妄言：

"阿爾伯特-斯內(nèi)彭提醒說："到目前為止，我們只有這一個(gè)案例研究，還需要更多的例子才能確定一個(gè)可靠的結(jié)果。但我們的方法至少繞過了一些已知的不確定性來源，是一個(gè)非常"干凈"的研究系統(tǒng)。它不需要校準(zhǔn)，也不需要修正系數(shù)。"

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