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哈勃算出更精确宇宙膨胀率 推翻泡泡宇宙假说

 更新时间:2011-03-20 11:50

哈勃算出更精确宇宙膨胀率 推翻泡泡宇宙假说

  利用哈勃太空望远镜,美国国家航空航天局(NASA)以迄今最精确参数重新计算了宇宙扩张率之后,排除了一种可能代替暗能量的泡泡宇宙假说。研究结果将发表在4月1日出版的《天体物理学杂志》上。
  宇宙正显出以越来越大的速率在膨胀。一种暗能量理论认为,这是因为宇宙中充满了暗能量,通过与万有引力相反的方向对星系推动造成的;而另一种替代暗能量的泡泡宇宙假说认为,这种景象可能是个幻觉,如果我们生活在一种跨越80亿光年且包含着邻近星系的巨大泡泡中,且处于离泡泡中心较近位置,就会看到星系之间的距离在加速拉开。
  泡泡爆裂
  而现在,天文学家改进了对宇宙当前膨胀速度的测量,能够证明泡泡宇宙假说是错误的。该研究由太空望远镜科学研究院(STScl)的亚当·里斯和马里兰州约翰·霍普金斯大学共同领导,超新星Ho物态方程小组(SHOES)进行的这次测量,提高了哈勃常数的精确度,使其在观察暗能量变化时更为精确。研究小组将当前宇宙的膨胀率数值的不确定性降低到了3.3%,与上次在2009年时的测量相比,误差减少了30%。
  哈勃常数是河外星系推行速度同距离的比值,可以表示宇宙膨胀率。他们算出的新值为73.8公里/秒·百万秒差距,这意味着一个星系距离地球每增加百万秒差距(3.26百万光年),它离我们而去的速度每秒就增加73.8公里。
  暗能量是现代物理学关于宇宙的最神秘问题之一。对此,爱因斯坦曾构想出一种推动力,称为宇宙常数,以抵消万有引力的作用而保持宇宙稳定。到1929年天文学家爱德温·哈勃发现了宇宙在膨胀后,他也放弃了这种观点。此后直到1998年,两个研究小组发现了暗能量的观察证据,里斯领导的研究小组就是其中之一。
  由于暗能量的令人费解,许多科学家开始构想其他的解释,其中就包括宇宙泡泡理论。该理论认为,低密度的泡泡会比围绕它的质量更大的宇宙泡泡扩张得更快。对于泡泡内部的观察者来说,就会显出好像是有一种暗能量的力量正在将整个宇宙推开。泡泡假说要求宇宙的扩张率比天文学家所计算的更慢,大约60公里/秒·秒差距到65公里/秒·秒差距。根据里斯小组报告,他们把哈勃常数值的不确定性降低到3.3%后,已经排除了所有关于更低数字的质疑。
  合作研究人员德州农工大学卢卡斯·马克利解释说:“泡泡理论的最大挑战是,它要求我们必须生活在离泡泡中心很近的地方。自从我们知道有某种神秘的东西在给宇宙加速以来,虽然只发生了约百万分之一的变化,但却向我们指出更准确的方向。”
  追踪暗能量
  里斯对暗能量一直追踪研究了13年。他发现的遥远Ia型超新星比预期的更加昏暗,这意味着它们比预期的更加遥远,从而发现了暗能量的存在。他认为,造成这一现象的唯一原因是,宇宙的扩张在过去某个时候被加速了。
  在此发现之前,天文学家们普遍认为,由于星系间万有引力的吸引作用,宇宙扩张正在逐渐慢下来。但这一结果暗示着,有某种神秘的力量正在反作用于万有引力,以越来越快的速度猛推着星系互相远离。
  里斯认为,缩小暗能量范围的最佳方式是测出更精确的哈勃常数值。用仪器测量宇宙膨胀率可不像用卷尺测量自家的门厅,在两端放下尺子就行了。研究小组首先必须确定恒星之间或近或远的准确距离,再用星系退行(由于空间扩张所表现出的后退)速度和这些距离相比,然后用这两个值算出哈勃常数。
  由于无法实际测量星系距离,必须找到一种“宇宙的尺度”作为相对参照物,通过比较它们的真实亮度和从地球上看来的相对亮度而推断出它们的距离。在可靠的宇宙标尺中,里斯小组同时选择了造父变星和一种称为Ia型超新星的爆发恒星,它们爆发的亮度都非常相似,足以照亮遥远的宇宙。通过将Ia型超新星显出的亮度和脉冲星造父变星相比较,天文学家能准确地测出它们的内部亮度,由此计算出Ia型超新星与宇宙中各个星系的距离。
  在过去80年里,众多天文学家一直在测量哈勃常数,里斯也是其中的一位。哈勃望远镜在帮助天文学家精确测量宇宙及其膨胀方面发挥着重要作用。它在1990年发射以前,常数的估计值也曾经历过一些变化,1999年再次将误差减小到约10%。研究小组认为,在哈勃测量乏力之前,继续使用这种方法还能把不确定性再减少一半,使暗能量的性质更加凸显,有助于天文学家对宇宙性质的估计更准确,更多了解宇宙形状、早期宇宙中的中微子或其他幽灵粒子等。此后就需要能力更强的詹姆斯·韦伯太空望远镜来发挥能力了。
 

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