宇宙正发生“怪事”?宇宙膨胀速率差异巨大,当前物理学无法解释

原标题:宇宙正发生“怪事”?宇宙膨胀速率差异巨大,当前物理学无法解释

哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)的发射是人类天文学的一次巨大飞跃,凭借独特而良好的视野,让我们对宇宙的历史和我们在其中的位置有了更清晰的认识。在过去的30年里,哈勃太空望远镜已拍摄了超过13亿张宇宙事件的图像。其中最有力的是,它的观察让科学家们相信宇宙正在加速膨胀,这是由一种如此神秘的东西推动的,以至于科学家们简单地称之为“暗能量”。

为了计算出宇宙膨胀的速度究竟有多快?科学家利用哈勃太空望远镜数十年的数据产生了一种新的、更准确的宇宙膨胀率测量方法。但结果显示,宇宙当前的膨胀率与大爆炸后的膨胀率之间存在巨大差异。用NASA的话来说就是,我们的宇宙正在发生“奇怪的事情”,目前的物理学无法解释这一点

哈勃常数——宇宙年龄约138亿年!

20世纪初,爱因斯坦发表相对论后,科学界就宇宙到底是静态还是动态展开了激烈争论,双方各执一词。到1929年,美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在观测星云发出的光,意外发现这些星系发出的光的波长如何随着它们远离我们而被拉伸和拉长,即多普勒效应的红移现象

后来科学家又发现,距离我们越远的星系红移越大,换而言之就是退行速度越大。哈勃因此得出结论:宇宙是在膨胀的,宇宙是动态的。

如果宇宙在膨胀,那么就意味着宇宙原来没有这么大,那么宇宙膨胀的起点在哪里,我们是不是逆向推理?于是“宇宙大爆炸”理论应然而出。假如我们能算出宇宙膨胀的速率,相应地,我们就能算出宇宙的年龄。而宇宙膨胀的速率,哈勃常数。

根据哈勃定律:v =H×D,哈勃常数为H(单位为每326万光年内每秒扩张的公里数,km/s/Mpc),星系远离我们的速度v,和星系与我们的距离d成正比。那么哈勃常数是多少呢?

在哈勃太空望远镜发射之前,天文学家估计哈伯常数大概是50-100,换算宇宙的年龄就是80 亿到 200 亿年之间,但这落差实在太大了。哈勃发射后,有了更好的数据做支撑,而且为了更精确地确定哈勃常数的数值,科学家们使用了两种方法。

一种就是根据宇宙大爆炸后留下的微弱光芒,这种光被称为宇宙微波背景辐射,也就是大家常听到的CMB。将欧洲太空总署(ESA)的普朗克卫星(Planck)在2009至2013年间测量大爆炸留下的CMB数据输入早期宇宙的“标准模型”,最后估算出哈勃常数为每秒 67.5 公里每百万秒差距 (km/s/Mpc),误差为±0.5。

另一种就是观察附近宇宙中的恒星并测量它们远离我们的速度——造父变星。造父变星的亮度具有周期性的变化,通过测出其变化周期,可以推算出实际峰值亮度,进而知道其所处星系与地球的距离。2001年,美国天文学家温蒂·弗里德曼(Wendy L. Freedman)团队使用哈勃太空望远镜观察了造父变星和Ia型超新星,得出哈勃常数为 72 km/s/Mpc,误差为±8,换算出的宇宙年龄约为138亿年

后来在2019年,弗里德曼团队使用红巨星再算一次,得出哈勃常数为69.8 km/s/Mpc,与观测宇宙微波背景得出的值更接近。

这里值得一提的是,哈勃常数可以帮助我们了解我们的宇宙有多古老以及它是如何演变的,而不同的方法计算,会出现两个彼此略有不同的答案。加上现处于“精确宇宙学”时代,由于观察宇宙不同区域的不同天文台产生了不同的结果,所以这个数字很难确定,因此也存在了争议。

地球附近的膨胀和宇宙膨胀速度,差异无法解释!

言归正传,地球上的天文台的观测数据始终不如在太空中兢兢业业观测30年的哈勃太空望远镜。根据NASA的数据,哈勃观测到超过40个星系,包括周期性膨胀、收缩的脉冲变星和爆炸、释放辐射的超新星等天体,可以更精确地算出宇宙膨胀速度有多快。

由美国天体物理学家、2011 诺贝尔物理学奖得主之一的里斯(Adam Riess)领导了一项名为 SHOES 的科学合作项目,旨在研究宇宙膨胀率。他们审查了所有先前的数据,这些数据考虑了超过 1000 个哈勃轨道,最后通过哈勃望远镜分析了42次作为距离标记的超新星爆炸,得出的哈勃常数估计值为73.04 km/s/Mpc,不确定性降低至1.4%。这个精确度比以前高出不少,根据这个数值,科学家预测宇宙将在未来100亿年扩大一倍。

然而,这个数值和宇宙学标准模型预测的数值(67.5)还是存在不小差异。这种差异似乎归结为我们在宇宙中的位置,简单来说就是地球附近的膨胀速度更快,而在遥远的宇宙中,膨胀速度相对慢一些。

为什么会有两个不同的值?谁是对的?NASA科学家认为两者差异如此之大,是目前物理学无法解释的,或需要解析度更高的韦伯望远镜提供新数据继续研究。不过对于像里斯这样的天文学家来说,这种差异是令人兴奋的。他说:“其实,我并不关心膨胀值具体是什么,但我喜欢用它来了解宇宙。”

而对于用不同方法得到的哈勃常数值存在很大差异的原因,美国新墨西哥大学天体物理学家弗朗西斯-扬·赛拉辛(Francis-Yan Cyr-Racine)表示:“我们可以换一个思路来理解,假如宇宙的物理特性和对称性存在作用,那么就有可能存在我们看不见一个镜像宇宙,镜像宇宙的引力影响导致哈勃常数差异。这听上去有些疯狂,但是镜像宇宙有很多物理特性。我们的研究第一次让我们把这些物理特性与宇宙学上一个重要的难题联系了起来。”

结语:

事实上,哈勃常数非恒定不变,所以我们也不必纠结是多少更准确。它会根据宇宙的密度而变化,因此膨胀率会随着时间的推移而下降。而在我们试图理解宇宙的过程中,对于我们看到的任何东西,都可以计算它远离的速度有多快,但我们只需衡量现在距离实际有多远。返回搜狐,查看更多

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