新的距離測量使天文學家能夠改進哈勃常數的計算,即宇宙的膨脹率,這對檢驗描述宇宙組成和演化的理論模型非常重要。問題在於,新的測量結果加劇了哈勃常數先前測量值與模型預測值的差異,而當這個值應用於普朗克衛星對宇宙微波背景的測量時,詹姆斯?布拉茨說,“我們發現星系比宇宙學標準模型預測的更近,這證實了在其他類型的距離測量中發現的問題。
這個問題是出在模型本身,還是用來檢驗模型的實測值,壹直有爭議。我們的工作完全獨立於所有其他距離測量技術,我們加強了測量值和預測值之間的差距。預測中涉及的基本宇宙模型很可能就是問題所在。"
布拉茨領導著巨型宇宙學項目,這是壹個國際科學研究項目。通過尋找具有特定特征的星系來測量哈勃常數,可以得到精確的幾何距離。這個項目使用了美國國家科學基金會的VLBA,卡爾?揚斯基甚大陣(VLA)和羅伯特?伯德的綠岸望遠鏡(GBT)和德國的Sberg望遠鏡。
哈勃太空望遠鏡通過測量到星系的距離及其衰變率,首次計算出宇宙在1929年的膨脹率(哈勃常數)。壹個星系離地球越遠,它從地球衰落的速度就越快。今天,哈勃常數仍然是觀測宇宙學的基本屬性,也是許多現代研究的焦點。
測量星系的衰變率相對簡單。然而,確定宇宙的距離對天文學家來說壹直是壹項艱巨的任務。對於我們銀河系中的天體,天文學家可以通過測量天體位置的明顯變化來測量距離。當從地球繞太陽運行軌道的相反壹側觀察時,這種效應被稱為視差。第壹次用這種方法測量恒星的視差距離是在1838年。
除了我們自己的銀河系,視差太小,無法測量,所以天文學家依靠稱為“標準蠟燭”的物體來命名,因為它們的內部亮度被認為是已知的。根據地球上物體的昏暗顯示,可以計算出與已知亮度物體的距離。這些標準蠟燭包括壹類稱為造父變星的恒星和壹種稱為“Ia型超新星”的特定類型的恒星爆炸。
另壹種估計膨脹率的方法是觀察遙遠的類星體,它們的光被前景星系的引力彎曲成多個圖像。當類星體的亮度發生變化時,這種變化會在不同的時間出現在不同的圖像中。通過測量時間差和計算光彎曲的幾何圖形,可以產生膨脹率的估計值。
根據標準燭光和引力透鏡類星體的哈勃常數,每顆巨星產生73-74 km/s的速度。
然而,當用於宇宙微波背景(CMB)的測量時,標準宇宙學模型中哈勃常數(大爆炸遺留的輻射)的預測將產生67.4的值,這是壹個顯著而令人不安的差異。天文學家表示,這種差異超出了觀測中的實驗誤差範圍,對標準模型產生了嚴重影響。
該模型名為Lambda冷暗物質,簡稱Lambda CDM,其中“Lambda”指的是愛因斯坦的宇宙常數,是暗能量的表達式。該模型將宇宙的組成分為普通物質、暗物質和暗能量,描述了宇宙自大爆炸以來是如何演化的。
巨型宇宙學項目主要關註星系,其含水分子氣體盤圍繞星系中心的超大質量黑洞運行。如果從地球邊緣幾乎可以看到軌道盤,那麽無線電發射的亮點,稱為脈澤- -無線電模擬和可見激光--可以用來確定軌道盤的物理大小及其角度範圍,所以距離是由幾何確定的。該項目團隊使用世界各地收集的射電望遠鏡進行這項技術所需的精確測量。
在他們的最新工作中,研究小組將距離測量改進為4個星系,範圍從1.68億光年到431億光年。結合之前對另外兩個星系的距離測量,他們的計算得出哈勃常數為每兆字節73.9千米。
天體物理中心的研究人員多姆·佩斯(Dom Pesce)說,“測試宇宙學的標準模型是壹個非常具有挑戰性的問題,這需要有史以來最好的哈勃常數測量。哈勃常數的預測值和測量值的差異指向了所有物理學中最基本的問題之壹,所以我們希望有多個獨立的測量來確認問題和檢驗模型。我們的方法是幾何的,完全獨立於所有其他方法,這加強了這種差異。”
“馬瑟測量宇宙膨脹速率的方法很優雅,與其他方法不同,它是基於幾何學的。通過測量遙遠黑洞周圍累積盤中馬瑟點的極其精確的位置和動態,我們可以確定與宿主星系的距離,進而確定膨脹速率。我們獨特技術的成果加強了觀測宇宙學中的壹個關鍵問題。布拉茨說,“我們對哈勃常數的測量與最近的其他測量非常接近,在統計上與基於CMB和標準宇宙模型的預測有很大不同。所有跡象表明,標準模型需要修改。"
天文學家有各種方法來調整模型以解決差異。其中壹些包括改變對暗能量本質的假設,並遠離愛因斯坦的宇宙常數。其他人研究粒子物理學的基本變化,如改變中微子的數量或類型或它們之間相互作用的可能性。還有其他更奇特的可能性。目前,科學家沒有明確的證據來區分它們。
“這是觀察和理論相互作用的經典案例。Lambda CDM模型已經運行了很多年,但是現在的觀察明顯指向了壹個需要解決的問題。看來問題出在模式上。”