宇宙中有些東西不太對，至少根據(jù)物理學家目前所知的一切。隨著時間的推移，恒星、星系、黑洞和所有其他天體都在以更快的速度相互遠離。過去我們在宇宙附近的測量發(fā)現(xiàn)，宇宙向外爆炸膨脹的速度比開始時要快。根據(jù)科學家對宇宙的最佳描述，情況不應該是這樣。如果對哈勃常數(shù)的測量是正確的，那就意味著目前的模型缺少了重要的新物理學，比如未被解釋的基本粒子，或者神秘物質暗能量發(fā)生了奇怪的變化?，F(xiàn)在發(fā)表在《皇家天文學會月刊》(Monthly bulletin of the Royal Astronomical Society)上的一項新研究中，科學家們以一種全新的方式測量了哈勃常數(shù)，證實了宇宙現(xiàn)在的膨脹速度確實比早期快。
博科園-科學科普：為了解釋宇宙是如何從一個微小的、熱的、稠密的液體等離子體微粒變成我們今天看到的廣大宇宙空間，科學家們提出了被稱為Lambda冷暗物質(LCDM)的模型。該模型限制了暗物質和暗能量的性質。暗物質是一種施加引力但不發(fā)光的物質，暗能量似乎與引力相反。LCDM可以成功地復制星系的結構和宇宙微波背景（宇宙的第一束光）以及宇宙中氫和氦的數(shù)量。
但是它不能解釋為什么宇宙現(xiàn)在比早期膨脹得更快。這意味著，要么LCDM模型是錯誤的，要么宇宙膨脹速度的測量是錯誤的。加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles)研究員、這項新研究的主要作者西蒙·比勒(Simon Birrer)說：這種新方法的目的是最終解決關于宇宙膨脹率的爭論。
這張哈勃望遠鏡拍攝的圖像顯示了一個雙像類星體，它可以用來測量哈勃常數(shù)。利用這種雙像類星體系統(tǒng)測量哈勃常數(shù)的新技術，可以幫助天文學家更好地理解宇宙的膨脹率是如何隨時間變化。圖片：NASA Hubble Space Telescope, Tommaso Treu/UCLA, and Birrer et al
到目前為止，新的獨立測量結果證實了這種差異，表明可能需要新的物理學。為了確定哈勃常數(shù)，科學家們之前使用過幾種不同的方法。一些利用了局部宇宙中的超新星(宇宙附近的部分)，而另一些則依賴于造父變星，即在亮度上有規(guī)律地跳動和閃爍的恒星類型，還有一些人研究了宇宙背景輻射。這項新研究使用了一種技術，利用類星體發(fā)出的光（由大質量黑洞提供能量的極其明亮的星系）試圖打破這種束縛。諾貝爾獎得主、約翰霍普金斯大學太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute)研究員亞當里斯(Adam Riess)說：不管實驗有多仔細，總有一些效果是內(nèi)置在他們用來測量工具里的。因此當一個團隊像這樣出現(xiàn)，使用一套完全不同的工具……得到相同的答案時
可以很快得出結論，這個答案不是技術上的嚴重影響造成，我認為我們的信心正在增長，相信確實有一些有趣的事情正在發(fā)生。這項技術的原理是：當類星體發(fā)出的光線經(jīng)過一個介入星系時，這個星系的引力會導致光線在撞擊地球之前發(fā)生“引力彎曲”。這個星系就像一個透鏡，將類星體的光扭曲成多個副本——最常見的是兩個或四個副本，這取決于類星體相對于星系的排列。每一個副本在星系中都走了一條稍微不同的路徑。類星體通常不像許多恒星那樣穩(wěn)定地發(fā)光。由于物質落入中央黑洞，它們的亮度會以小時為單位變化到數(shù)百萬年。因此，當類星體影像以不相等的光路徑被透鏡化成多個副本時，類星體亮度的任何變化都會導致副本之間產(chǎn)生微妙的閃爍，因為來自某些副本的光到達地球需要更長時間。
通過這種差異，科學家們可以精確地確定我們離類星體和中間星系有多遠。為了計算哈勃常數(shù)，天文學家們將這段距離與物體的紅移進行了比較，紅移指的是光譜中波長向紅端移動的距離(紅移表示隨著宇宙的膨脹，物體的光被拉伸了多少)。在過去，科學家們已經(jīng)研究過能產(chǎn)生四幅類星體圖像或副本的系統(tǒng)發(fā)出的光。
但是，在這篇新論文中，Birrer和合作者成功地證明了從只產(chǎn)生雙星圖像系統(tǒng)中測量哈勃常數(shù)是可能的。這極大地增加了可以研究的系統(tǒng)的數(shù)量，最終將使哈勃常數(shù)得到更精確的測量。四次出現(xiàn)類星體的圖像非常罕見——整個天空中可能只有50到100個，而且不是所有的類星體都亮到可以測量，然而雙透鏡系統(tǒng)的頻率要高5倍。
雙透鏡系統(tǒng)的新結果，加上之前測量的其他三個四透鏡系統(tǒng)，使哈勃常數(shù)的值為每秒72.5公里每百萬秒；這與其他局部宇宙測量結果是一致的，但仍然比來自遙遠宇宙(更古老或更早期的宇宙)的測量結果高出8%左右。隨著這項新技術被應用到更多的系統(tǒng)中，研究人員將能夠確定遙遠(或早期)宇宙和局部(更近)宇宙測量值之間的確切差異。
到有一個非常精確的測量不一致的程度，因為最終這將是一個線索，讓理論能夠說明正在發(fā)生的事情。準確測量哈勃常數(shù)不僅有助于科學家了解宇宙正在以多快的速度膨脹。在確定宇宙的年齡和遙遠星系的物理大小時，這個值是必不可少的。它也為天文學家提供了暗物質數(shù)量和暗能量的線索。至于解釋什么可能是奇異物理學可能解釋在膨脹率測量中的不匹配，那是一條很長的路。
博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《皇家天文學會月報》
文: Mara Johnson-Groh, Live Science
DOI: 10.1093/mnras/stz200
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