【科學科普】愛因斯坦預測的星系翹曲,成為測量「宇宙膨脹」的第三種方法

天空之城 2020/11/18 檢舉 我要評論

宇宙正在膨脹,這是宇宙學上最大的爭論之一,但宇宙膨脹速度到底有多快?兩種可用的測量產生了不同結果。萊頓物理學家大衛·哈威採用了一種獨立的第三種測量方法,使用了愛因斯坦預測的 星系翹曲特性,其研究成果發表在《皇家天文學會月刊》上。自哈勃時代以來,關於宇宙膨脹,我們已經知道了將近一個世紀。天文學家指出,來自遙遠星系光的波長比距離近的星系要短。

光波似乎被拉伸或紅移,這意味著那些遙遠的星系正在遠離。這種稱為 哈勃常數的膨脹率是可以測量的,某些超新星或正在爆炸的恒星具有眾所周知的亮度,這使得估計它們與地球的距離並將其與紅移或速度聯繫起來成為可能。每百萬秒的距離(百萬秒差距是330萬光年)星系從我們身邊後退的速度就會以每秒73公里的速度增加。然而,對宇宙微波背景(宇宙早期的殘餘光)越來越精確的測量,得出了一個不同的哈勃常數:大約每秒67公里。

不同測量的不同結果

怎麼會這樣呢?為什麼會有不同?這種差異能告訴我們一些關於宇宙和物理學的新資訊嗎?萊頓物理學家大衛·哈威(David Harvey)說:這就是為什麼第三種獨立於其他兩種測量方法出現在人們的視野中: 引力透鏡。阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)的 廣義相對論預言,品質集中(如星系)可以彎曲光路,就像透鏡一樣。當一個星系在明亮的光源前面時,光線在它周圍彎曲,可以通過不同的路徑到達地球,提供兩個,有時甚至四個相同光源的圖像。

1964年挪威天體物理學家斯朱爾·雷夫斯達爾(Sjur Refsdal)經歷了一個「頓悟」時刻:當透鏡星系稍微偏離中心時,一條路徑比另一條路徑長。這意味著光線在這條路徑上需要更長的時間。因此,當類星體的亮度發生變化時,這個光點會出現在一幅圖像中,然後出現在另一幅圖像中,差異可能是幾天,甚至幾周或幾個月。Refsdal指出,這種時差也可以用來確定 類星體和透鏡之間的距離。將這些與類星體的紅移相比較,就可以獨立地測量哈勃常數。

想像整個天空

HoliCOW項目下的一項研究合作使用了6個這樣的鏡頭,將哈勃常數縮小到約73。然而,也有複雜的情況:除了距離差,前景星系的品質也會產生延遲效應,這取決於準確的品質分佈。哈威說:這必須對這種分佈進行建模,但還有很多未知數,像這樣的不確定性限制了這項技術的準確性。2021年當一台新的望遠鏡在智利看到第一縷曙光時,這種情況可能會改變。維拉·魯賓天文臺致力於每隔幾個晚上對整個天空進行成像,預計將拍攝數以千計的雙類星體圖像,從而提供進一步縮小哈勃常數范圍的機會。

但問題是,單獨對所有這些前景星系進行建模在計算上是不可能的。因此,研究人員設計了一種方法來計算多達1000個鏡片的全分佈平均效果。在這種情況下,引力鏡頭的個別誤差並不那麼重要,也不必為所有鏡頭做模擬,只需要確保對整體群體進行建模。研究證明了用這種方法,當接近數千個類星體時,哈勃恒定閾值的誤差為2%。這一誤差范圍將允許在幾個哈勃常數候選之間進行有意義的比較,並有助於理解差異。如果想降到2%以下,必須通過做更好的類比來改進模型。

用戶評論
搶先看最新趣聞請贊下麵專頁
你可能會喜歡