宇宙到底有多大?巨大的恒星或能解開這個未解之謎

薛定諤的貓 2021/03/27 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

膨脹的宇宙

1929年,美國著名天文學家愛德溫·哈勃根據他對宇宙中星系的遠離現象,提出了著名的哈勃定律。他告訴我們:宇宙中的星系不僅在遠離我們,而且退行速度與它們和我們之間的距離成正比。

從那個時候開始,人們關於宇宙的誕生也有了一個初步的猜想。通過宇宙膨脹的現狀進行反推,會發現宇宙的初始狀態可能是集中在一起的一個點。當然了,科學家們並不是簡單地通過這種邏輯來進行分析,相關的理論計算也告訴我們:宇宙很可能起始於一個奇點,然後在一次大爆炸中形成。

直到今天,宇宙仍然在膨脹——當然了,這是暗能量所導致的。科學家們對於宇宙的膨脹所瞭解的東西,其實相當有限。甚至關於宇宙的膨脹速度,科學家們也遲遲給不出一個結論。哈勃定律指出:天體的退行速度等於天體和地球之間的距離乘以哈勃常數。也就是說,直到現在,科學家們也不知道哈勃常數到底是多少。

(圖片說明:哈勃定律,v是天體退行速度,即那個位置的宇宙膨脹速度,H是哈勃常數,d是天體與我們的距離)

目前來說,科學家們一共找到了兩種比較可靠的方法來計算哈勃常數。這看起來很不錯,因為這讓人覺得科學家們很有辦法。但是,科學家們卻為此非常困擾,因為這兩種方法計算出來的結果竟然不一致。這意味著,我們根本不知道哪一種方法得到的資料是正確的,或者更有甚者,這兩個都不是正確答案。

紅移法

根據哈勃定律可以知道,如果我們求出了公式中的另外兩項,就可以計算出哈勃常數。其中,遙遠星系的距離,我們可以通過Ia型超新星來進行觀測。這種超新星亮度非常高,甚至可以超過一個星系,而且它們的絕對亮度是固定的。因此,只要觀測到其視覺亮度,再通過其應有的絕對亮度,就能計算出它所在的星系和地球之間的距離。

同時,當星系遠離我們的時候,它發出的光會出現多普勒效應,也就是向紅色方向偏移,這就叫做紅移。通過星系的紅移值,我們就可以推測出它們和地球之間的相對速度。

通過星系和我們的距離以及退行速度,天文學家們就能夠計算出哈勃常數,大約在71-75(km/s)/Mpc(注:Mpc是百萬秒差距,約合326萬光年)之間。

宇宙微波背景輻射法

20世紀60年代,科學家們在宇宙中觀測到了一種重要的現象,那就是宇宙微波背景輻射。這是宇宙大爆炸的38萬年後留下的痕跡,記載著宇宙的早期歷史,因此又被稱為大爆炸的餘暉。

宇宙微波背景輻射充斥在整個宇宙空間中,但是並非處處都完全相同。通過觀測,科學家們已經發現了不同位置上有溫度的細微區別。而這樣的溫度差別,就是來自於宇宙膨脹速度的不同。

歐洲航天局的普朗克衛星就是專門進行這方面觀測的,通過對宇宙微波背景輻射的觀測資料,科學家們計算發現,哈勃常數大約是67-68(km/s)/Mpc。

第三種方法

奇怪了,兩種方法得到了兩種答案,到底哪一種才是正確的呢?

看起來,我們需要第三種方法。如果新的方法能夠和上面的一種相符合,那麼就意味著我們可能接近正確答案了。多年以來,科學家們一直在尋找其他測量宇宙膨脹速度的方法,比如我們曾經介紹過的 重子聲波振盪(BAO)法。

最近,科學家們發現,宇宙中有一種天體或許能夠幫助我們理解宇宙的膨脹速度,這種天體就是J-區漸近巨星支(JAGB)。所謂的漸近巨星支,指的是一種進入到演化末期的恒星。如果一顆恒星品質不足太陽的7倍,它就會在演化末期進入到這個階段,膨脹為紅巨星。

而JAGB則尤為特殊,它是一種特殊的紅巨星,其大氣中充斥著許多的碳元素。據分析,JAGB很可能也有一個相對標準的亮度,也就是說,所有的JAGB亮度基本都是一致的。這樣一來,它們就像Ia型超新星一樣,可以成為宇宙的一把量天尺,幫助我們測量它們所在星系的距離。同樣的,JAGB也非常明亮,也足以在遙遠的星系中脫穎而出,被我們觀測到。

芝加哥大學的天體物理學家Abigail Lee指出:「通過此前經驗性的觀測,我們發現這種恒星在不同的星系之間都有著固定的亮度。」這樣的發現令人十分興奮,她以第一作者的身份將利用JAGB用於測量宇宙膨脹速度的方法發表為論文。

你可能會問:如果是這樣的,那和紅移法也沒什麼區別啊。

看似如此,實則不然。

實際上,在分析紅移法可能不準確的原因時,也有人提出一種觀點,那就是Ia型超新星未必足夠標準。如果宇宙中的Ia型超新星並不全都是同一個亮度,那麼用這種方法測量的星系距離就根本不會準確。

因此,如果JAGB能夠作為新的標準量天尺來幫助我們測量星系的距離,那將會大大有益於科學家們計算宇宙的膨脹速度,進而瞭解我們的宇宙到底有多麼巨大。

未來

不過,科學家們也指出:這種方法目前還處於初始階段,因此還不太可能在短期內就成為我們破解哈勃常數之謎的工具。在此之前,我們還需要對這個方法進行大量的檢查和驗證,確保它的可靠性。

Lee表示:「由於這個方法相對來說還很新穎,因此本次專案的主要目的是確定它在精度和準確度上是否能夠和其他距離測量標準分庭抗禮……我們目前還沒有把握確定哈勃常數的精確數值,因此這項工作真的具有非常重要的意義,它將幫助我們接近目前宇宙學中最大的謎題。」

據介紹,她和她的團隊接下來將會對本星系團附近的沃爾夫-倫德馬克-梅洛特星系進行觀測和分析,驗證這個方法的可行性。如果驗證結果樂觀,接下來就可以進行更遠的驗證,並最終用於解決最大的那個宇宙謎題了。

宇宙到底有多大、它的膨脹速度到底有多快,這個秘密或許即將揭曉。

 

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