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天文学和空间

天文学和空间

(礼貌:Mikkel Juul Jensen / Science Library)
08 Jul 2020
从7月2020年的问题中获取 物理世界。物理研究所成员可以享受全部问题 通过这一点 物理世界 app.

通过测量宇宙微波背景,普朗克任务给了我们迄今为止的哈勃常数最精确的价值。但是,自使用不同方法的研究提供了不同的值。 基思库珀 调查差异并询问它可能对宇宙学的意义意味着什么

当天文学家Edwin Hubble意识到宇宙正在扩张时,这是有史以来最伟大的宇宙学发现。突破作为跳板,了解宇宙的年龄,宇宙微波背景(CMB)辐射,以及大爆炸。

哈勃是在正确的时间在正确的地方是合适的人。 1920年4月,他的天文学家Harlow Shapley和Heber D Curtis着名辩论宇宙的大小,以及螺旋星云的性质 史密森尼自然历史博物馆 在美国。在四年内,哈勃对他们有答案。

使用100英寸(2.5米) 妓女望远镜威尔逊山天文台 在加利福尼亚州,哈勃能够识别Cepheid变量 - 一种星期六亮度关系允许准确距离确定的星星 - 在螺旋星云中,这让他可以将它们缩小为丙拔。发现意味着银河系不是整个宇宙,而是只有一个星系。

很快,哈勃发现了几乎所有这些星系都远离我们 - 他们的光通过多普勒效应进行了红移。比利时宇宙学家GeorgesLemaître抓住了这些观察员,该观察员意识到他们暗示宇宙正在扩大。独立地,哈勃和洛雷雷尔源自衍生出数学关系,以描述这种扩展,随后被称为哈勃莱姆ître法。它说经济衰退速度(v)星系等于其距离(D)乘以哈勃常数(H0),描述当前时间的扩展速率。

在哈勃发现的近100年中,我们建立了宇宙随着时间的推移方式的详细信息。据说,仍有一些琐事,例如暗物质和黑暗能量的身份,但我们的理解在2013年达到了它的高峰 普拉克任务欧洲航天局 (ESA).

在2009年推出,普朗克使用微波探测器测量CMB中的各向同性 - 对应于大爆炸后的物质密度的小差异的轻微温度变化。特派团透露,只有4.9%的宇宙是由普通的重官态物形成的。其余的,26.8%是暗物质,68.3%是黑能量。从普朗克的观察中,科学家们还推导出宇宙138亿岁,确认宇宙是平的,并展示了又说的震源振荡(BAOS) - 声波通过早期宇宙的血浆涟漪,导致各向异性 - 导致各向异性 - 导致各向异性 - 在现代宇宙中,与哈勃莱梅法的现代宇宙整齐地匹配了大规模的物质结构。

Planck 2018 CMB map

Planck的CMB的视图是最详细的迄今为止。此外,通过绘制我们最好的宇宙模型来适应普朗克的观察,整个宇宙学参数都会出现,包括 H0。事实上,科学家能够推断价值 H0 以迄今为止最大的精确度,发现它是67.4 km / s / mpc,以不确定性低于1%。换句话说,每一百万个PARSEC(326万光年)的每一段空间都在扩大每秒67.4公里。

通过Planck的结果,我们认为这张照片是完整的,并且我们完全了解宇宙如何扩大超过138亿年。然而,事实证明我们可能是错误的(见盒子“随着时间的推移不是恒定的恒定”).

随着时间的推移不是恒定的恒定

cosmic distance ladder

描述 H0 作为“哈勃常数”是一点点错误。确实,由于它描述了当前扩展,因此在任何给定的时间点都是常数。然而,扩展率本身在宇宙历史上发生了变化 - H0 是我们称之为哈勃参数的更广泛数量的当前价值, H,这在其他时间描述了扩张率。因此,虽然本地测量, H0,应该只有一个值, H 可以在不同点上采取不同的值。在发现黑能之前,假设宇宙的扩张放缓,因此 H 在过去比将来会更大。面对它,由于暗能量正在加速扩张,因此可能需要 H 随着时间的推移而增加,但这并不一定是这种情况。重新排列哈勃莱姆ître法 H = v/D, 在哪里 v 是一个对象的衰退速度,我们看到了 H 依赖于距离 D,由于在具有加速膨胀的宇宙中,距离以指数速率增加。底线是 H 即使经济衰退的速度,也可能会随着时间的推移而减少,这是我们的想法,即使衰退的速度,并且扩张仍然随着距离而增加。

移动部件

传统上, H0 通过使用这些星系内的“本地”标准蜡烛测量星系的距离和衰退速度来确定。这些包括1A型超新星 - 白矮星爆炸具有一定的临界质量和Cepheid变量恒星。后者具有稳健的时期 - 发光度关系(由1908年的Henrietta Swan Leavitt发现),明星随变化的时间越来越越长,该星形在峰值亮度下。但作为天体物理主义者 斯蒂芬福伊伦敦大学学院 解释说,这些标准蜡烛具有许多“移动部件”,包括诸如恒星金属性,不同红移不同群体的性质,以及Cepheid变量的机制和IA型超新星。所有移动部件都导致不确定性,限制了这些观察的准确性,并且多年来我们已经看到了结果的计算 H0 可以改变一点。

cepheid variable

另一方面,普朗克的价值 H0 是相对简单的测量 - 即使它确实取决于λ冷暗物质(λcdm)宇宙的假设 - 包括暗能(λ)的排斥力和冷暗物质(CDM)的吸引力 - 是正确的。尽管如此,当考虑所有已知的不确定性和错误来源时,Planck的价值 H0 比以往任何时候都更加精确,只需1%。

虽然普朗克值 H0 根据CMB的测量计算,重要的是要注意,在CMB的创建时不是扩展速率。相反,“将CMB测量值思考为预测”而不是“,Feeney说。它推断了CMB告诉我们宇宙的样子,大爆炸后379,000年,我们知道在基于Hubble-Lemaître法和λcdm的时间内,我们知道宇宙如何扩大的东西,以估计到达宇宙今天应该迅速扩张。换句话说,我们衡量 H0,是否与Cepheid变量和超端的CMB或更多局部测量,我们应该得到相同的答案。

作品中的扳手

2013年,当普通普朗克测量被揭示时,这不是问题。虽然局部测量与普朗克值不同,但它们的不确定性仍然足够大以适应差异。期望是,随着不确定性随时间变得越来越小,随着更复杂的测量,局部测量值将收敛于普朗克值。

但是,在2016年,在本地测量中达到了一个主要的里程碑 H0 这让我们对宇宙的理解有问题。它涉及 亚当里斯约翰霍普金斯大学美国,1998年,谁共同发现了暗能,使用IA型超新星作为标准蜡烛,以衡量到后退星系的距离,基于Supernovae的亮点。他现在引领了繁琐的Sh0es(超新星, H0,对于暗能量的状态方程)项目,该项目设置为校准IA型超新星测量以确定 H0 和黑暗能量的行为。为了提供这种校准,SH0ES团队在“宇宙距离梯形图”上使用较低的梯级,即Cepheid变量。该项目旨在识别附近的星系中的这些脉动恒星,该星系也具有IA型超新星,这意味着可以使用Cepheid距离测量来校准超新星距离测量,并且这种新的校准又可以在超新星上使用遥远的星系。该方法产生了值 H0 不确定性仅为2.4%。

Gaia SNIa artist impression

然而,Riess和他的团队因其结果而惊呆了。他们使用本地宇宙距离梯子 推断出价值 H0 as 73.2 km/s/Mpc。随着不确定性的大大减少,无法与普朗克的67.4 km / s / mpc的测量协调。如果这些结果是正确的,那么我们对宇宙如何运作的了解,存在深切的错误。作为 Sherry Suyu.Max Planck Astrophysics研究所 在Garching,德国说,“我们可能需要新物理学。”

而不是假设Planck的高精度 H0 是错误的,因此急于分开我们最好的宇宙模型的基本面,科学家的第一个本能应该是测试是否有一个实验错误,这意味着我们对宇宙距离梯子的测量是什么东西。

“这就是我本能仍然谎言的地方,”承认 Daniel Mortlock.伦敦帝国学院,英国,和 斯德哥尔摩大学,瑞典。 Mortlock在横梁领域工作 - 即从不完全的天体物理数据绘制结论,并考虑数据的各种不确定性和错误。值得记住的是任何测量中有两种类型的错误。首先是统计误差 - 单个测量中的错误,例如来自探测器的读出噪声,或天空背景亮度的不确定性。通过简单地增加样本大小,可以减少统计错误。但其他类型的错误 - 系统错误 - 不是那样的。 “如果你有五次样品,或10次,或者大50倍的样品无关紧要,你只是得到这种不可挽回的不确定性,”Mortlock说。系统错误的一个例子可能是通过干预星际尘埃的明星光的变红 - 无论你衡量明星的亮度,明星的光会始终被灰尘遮挡,其效果会增加你测量的效果越多。

Mortlock已经认为这可能是当地测量发生的情况 H0 - 天文学家尚未确定的,可能存在一些系统的错误,如果发现,普华克测量与局部测量之间的张力 H0 可能会消失。然而,Mortlock承认差异的证据 H0 价值观“已经稳步增长更加令人信服”。

爱因斯坦救援

呈现出这样一个特殊的结果,天文学家通过测量进行了逐步审查 H0 与其他独立的方式,不会受到与Cepheid变量相同的系统误差和IA型超新星测量。

其中一个可以追溯到1964年,当挪威奥斯陆大学的Sjur Refsdal名字的年轻天体物理学家提出了一个 测量哈勃常数的独特方式。它涉及使用爱因斯坦预测的现象,但在尚未发现的现象:引力镜片。

相对论的一般性理论描述了大规模经过扭曲的空间,越大的空间越多。在所谓的“强引力透镜”的情况下,诸如星系的大量物体或星系的簇,能够经过空间足够的空间,即来自星系的光的路径弯曲,就像在玻璃镜片中一样。鉴于星系和星系集群的质量分布不均匀,该镜头可以导致几个光路,每个光路略微不同。

Refsdal认识到,如果超新星的光通过重力透镜,则根据光路的长度,其亮度的变化将被每个镜头图像中的每个镜头图像中的不同量延迟。因此,可能会看到图像A亮起,然后通过图像B等几天,遵循。时间延迟将告诉天文学家光路的长度的差异,并且在那些时间延迟期间的空间的膨胀将允许 H0 to be measured.

gravitational lensing

遗憾的是,即使在1979年发现了第一引力透镜之后,它证明了引力透镜超新星非常罕见。相反,已经发现也表现出亮度变化的Quasars - 发光活跃的银核 - 已被发现是更常见的镜头对象。这是LED SUYU在2016年推出项目的哪些项目,以研究镜头的标准仪,以提供独立的衡量标准 H0。它符合更繁琐的名称 H0LICOW.,它代表 H0 镜片在cosmograil的Wellspring,在哪里 cosmograil. 指的是一种称为引力透镜的宇宙学监测的程序,由LED FrédéricCourbin.Georges Meylan.ÉcolePolytechniqueFédéraledeLausanne.

在整个这个分析中,Suyu和团队保留了自己隐藏的最终结果 - 一种称为盲目数据分析的技术 - 以避免确认偏见。只有在这个过程的最终时,一旦他们完成了所有的数据分析,并用他们的论文描述了他们的观察几乎完全写入,他们就会向自己透露出来的价值 H0 他们已经测量了。它会引起普朗克,还是会提高争议的Sh0es结果?

他们得到的价值是 73.3 km / s / mpc,不确定性为2.4%。 “我们的未粘扰的结果与SH0ES测量同意,增加了进一步的证据表明似乎似乎有一些事情,”Suyu告诉 物理世界.

然而,毫不犹豫地仍然很早。初始H0LICOW分析仅涉及六个镜头的标准条件,并且正在努力增加样本大小。 Suyu还返回Refsdal的使用镜头超端的原始想法,这是2014年哈勃太空望远镜发现的第一个例子,其次是2016年的第二个例子。预计将发现数百人被发现 Vera C Rubin天文台 在智利,以前称为大型舞台调查望远镜,将于2022年10月开始科学观察。

“如果H0LICOW测量值可以被证明是正确的,并且与Cepheid测量值达成协议,那将是非常有趣的,”Feeney说,他的部队正在追求另一个独立的测量 H0,使用Einstein预测的另一个现象:引力波。

于2017年8月17日,由此产生的引力波突发 两个中子恒星的碰撞 在一个星系中,1.4亿光年距离触发探测器 激光干涉测量引力波天文台 (Ligo)在美国和 处女座 探测器在意大利。该检测允许Feeney和其他天文学家的团队,包括Mortlock和 Hiranya Peiris.而且,也是伦敦大学学院,恢复了1986年最初提出的伯纳德·施加茨的想法,使用此类事件来衡量宇宙的扩张率。

引力波的强度表示中子星合并的距离是多么遥远的,但是合并也产生了一种称为千瓦的轻微的光爆发。这可用于查明主机星系,其红移又提供了银河系的衰退速度。 Feeney和Peiris估计,需要50千诺维动物的样本来得出准确的确定 H0, 但 肯塔塔岛普林斯顿大学,美国和同事已经找到了一种速度来加速这一点。他们指出,如果我们垂直于碰撞平面,我们将看到最强大的中子星合并的引力波。该合并产生的相对论射流也垂直于平面移动,因此测量我们看到喷射器的角度将告诉我们我们的视角是多大的来自飞机的射脉,因此允许确定引力波的真正强度因此距离。 Hotokaka估计,以这种方式研究的仅15千杆瓦的样本量足以提供准确的评估 H0。遗憾的是,到目前为止,天文学家只观察到一千诺瓦娃,并根据该样本,Hotokaka计算 H0 为70.3 km / s / mpc,具有10%的巨大不确定性.

其他方法比比皆是

Beta ceti

Cepheid变量和1A型SuperNovae是宇宙距离梯子上的常见梯级,用于找到哈勃常数的本地值。但研究人员带领 Wendy Freedman.芝加哥大学 用过另一个。他们看着红色巨星的亮度已经开始融合氦气,以衡量到与星系的距离可以看到这些星星。最初他们 计算 H0 as 69.8 km/s/Mpc - 但那么事情变得复杂了。他们的数据是由文龙元和亚当·瑞雷斯的成绩进行了成绩,以考虑尘埃红,导致 经修订的72.4 km / s / mpc的测量 不确定性为1.45%。然而,Freedman的团队已经进行了相同的再分析,获得了69.6 km / s / mpc的价值,不确定为1.4%,因此陪审团仍然存在。

与此同时,这是 Megamaser宇宙学项目 利用无线电观察追踪遥控星系中心气体轨道轨道上的水粉。涂抹器在天空上横穿的角度距离允许对其主机星系进行直接的几何距离测量,从而产生a 价值73.9 km / s / mpc for H0 不确定性为3%。

改变游戏

占用在一起,所有可用的证据似乎指向当地测量和普朗克测量之间的二分法 - 而不是一些未识别的系统误差。然而,在这些结果被认为真正稳健之前需要更大的样本量。随着新的观察者在线上市,我们可以在10年内获得所需的观察。

“如果重力波或镜头方法都具有与SH0ES结果匹配的非常强烈的结果,那么我认为将改变游戏,”Mortlock说。

但是,不要期望快速分辨率。毕竟,我们仍然与暗物质和黑暗能量的性质努力,目前的研究专注于试图识别暗物质粒子并试图表征暗能的行为。 “随着哈勃州的任何事情仍然是那些背后的几个步骤,”Mortlock说。 “人们仍在争论效果是否真实。”

的价值 H0 会有很多后果。它将决定宇宙的年龄,以及宇宙如何扩展和允许大规模结构的历史形成

一种以某种方式,弄清楚是否在我们的测量中差异 H0 是真实的,也不会对宇宙学具有重大影响。 feeney描述了本地和普朗克值 H0 作为“测量的真正有效的组合,因为你现在正在制约宇宙,而且它看起来是138亿年前的看法,所以你在其演变的两端都扎在宇宙中”。

的价值 H0 会有很多后果。它将决定宇宙的年龄(更高 H0 这意味着宇宙可能比138亿年的年龄小,这将与我们所知道的一些最古老的明星相矛盾。它也会影响宇宙如何扩展和允许大规模结构的历史。如果需要新物理学,因为苏伊建议,那么尚未说出宇宙学的效果是多么戏剧性的,因为我们尚不知道新物理学可能需要的形状是多么戏剧性。

“除了我们当前的λcdm模型之外,它将是一些东西,”Suyu说。 “也许我们缺少一些新的非常轻盈和相对主义的粒子,这将改变普朗克的测量 H0。或者它可能是某种形式的早期黑暗能量,这不是我们目前的模型。“

或者它可能是这些,而是​​我们还没有想过的东西。前景令人诱惑研究人员,但是苏伊警告跳枪。

“首先,我们需要将不确定性降低到多种方法上的1%水平,以了解这种紧张是真实的,”她说。所以我们需要成为一点点患者,但如果我们在10年内回来,我们可能会发现宇宙突然是一个非常不同的地方。

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