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2毛钱的空包网:这个数字关乎宇宙的最终命运,现在它有了第三种答案

更新时间:2019/7/28 / 阅读次数:154

  2毛钱的空包网 :本就扑朔迷离的哈勃常数之争,现在又有了新的答案。非常近,美国芝加哥大学天文学家温迪·弗里德曼(Wendy L。 Freedman)领导的研究团队创造性地给出了一种测量哈勃常数的新方法——使用红巨星作为“标准烛光”,得出了新的哈勃常数69.8km/s/Mpc,其值介于之前测得的两个哈勃常数之间。这个关于宇宙年龄与未来命运的环节数字,究竟有多大?


  哈勃常数


  宇宙是在伸展的,这差不多曾经成为众所周知的常识。宇宙的伸展速度并不是均匀不变的,宇宙这个老司机仿佛是在山路上开车,它的行程有上坡阶段与下坡阶段,所以其伸展的加速度是变化的——宇宙一开始是减速伸展的,大约在距今50亿年前,宇宙开始了加速伸展。


  形貌宇宙伸展速度快慢的参数,被称为哈勃参数。这个参数不是一个常数,它是一个关于时间的函数H(t)。哈勃参数在t=0的取值即是哈勃常数H(0)。t=0即是现在这个时候,也是人类出现的时候(相对于宇宙寿命来说,人类的历史只是一个瞬间)。


  哈勃常数一开始由美国天文学家哈勃引进。1929年,哈勃成为首个证实宇宙伸展的人,他通过天文观测发现河外星系都在远离银河系。同时,哈勃有了一个惊人的发现:大多数星系都在远离银河系,而且距离银河系越远的星系,其离开银河系的后退速度也越快。这些星系远离银河系的速度和星系与银河系的距离之比值大致恒定,这一比值被称为哈勃常数


  74与67.8


  哈勃常数刻画的是现在宇宙的伸展,精确测定哈勃常数就成了一个很重要的物理问题——就好像精确测定光速或者普朗克常数一样,精确测量这个常数可以把物理学做得更完美。但是,对哈勃常数的测量还没有像对光速与普朗克常数的测量那样准确。而且,颇为尴尬的是,科学家居然测出了两个哈勃常数,而且彼此的差距在10%左右。10%的不确定性对一个物理学常数来说,真的有点太大了。


  要测量哈勃常数,我们需要先了解这个物理量的量纲(单位)。哈勃常数的单位是km/s/Mpc。在这里km/s是速度单位,刻画星系退行(即远离银河系的)速度;而Mpc(百万秒差距)是长度单位,刻画的是退行星系距离银河系的距离,1秒差距等于31万亿千米,一百万秒差距大约是326万光年。


  第一个哈勃常数是由诺贝尔奖获得者亚当·里斯领导的研究组,通过IA型超新星(一种由双星系统形成的超新星)与造父变星(一种光度和脉动周期直接关联的变星)测出来的,数值是74km/s/Mpc。


  IA型超新星亮度非常固定,而造父变星的亮度是周期性变化的,这些规律的存在使得它们可以成为宇宙中的“标准光源”——就好像大海中的灯塔一样,可以定出灯塔到船只的距离。而再根据测量到的IA型超新星与造父变星的光谱的红移,即可以定出它们的退行速度。这样就可以算出哈勃常数了。


  第二个哈勃常数是由测量宇宙微波背景辐射的普朗克卫星测算出来的,数值是67.8km/s/Mpc。


  这种方法测量的是宇宙微波背景辐射中的重子声波振荡的大小。其主要测量思想是:在宇宙微波背景辐射形成之前,宇宙处于等离子状况,那时候的声速大约是光速的三分之一。但是,在宇宙微波背景辐射形成的时候,宇宙的物质状况发生了变化(不再是一个等离子体),这个时候声速突然降至接近于零。于是,之前的声速乘上宇宙大爆炸到宇宙微波背景辐射产生的时间,这个距离即是一个定值——147Mpc。而宇宙微波背景辐射出现时的红移是1100。根据这些数据,再代入冷暗物质宇宙学模型,就可以算出哈勃常数。


  新的标准光源


  这次,温迪·弗里德曼等人使用了新的方法来测定哈勃常数。这个方法测出来的哈勃常数是69.8km/s/Mpc,正好介于两个老的哈勃常数之间。辣么,他们是用什么新方法测定的哈勃常数呢?答案是红巨星


  我们晓得,测量哈勃常数,需要晓得两个环节数据:星系与地球之间的距离,以及星系相对于地球的退行(远离)速度。


  通过红巨星的亮度,可以测出红巨星距离地球的距离,也就晓得了这个红巨星所在的星系距离地球的距离。红巨星是恒星的老年期,一般情况下这个时候的恒星燃烧到后期会伸展变大,而且温度降低。因为体积变大,所以从地球上看起来极为明亮。


  上海交通大学物理与天文学院博士后张佳骏告诉《环球科学》记者:“红巨星形成之前,晚年的恒星里面的氦核处于简并态,就好像白矮星中电子处于简并态那样。白矮星到达1.44倍太阳质量时,发生超新星爆发形成IA型超新星,亮度是恒定的。而恒星里面氦核达到大约太阳质量的一半时发生氦闪,其亮度也是大致恒定的(亮度基本都是-4),可以作为标准光源。”


  换句话说,作为标准光源的这批红巨星的亮度是非常亮的,而且它们的亮度是基本恒定的,辣么它距离地球越远,其亮度就随着距离的平方变小——所以根据在地球上测定的红巨星的亮度,就可以晓得它离地球多远了。而至于红巨星的退行速度,则可以通过地球上测量到的谱线的红移就可以算出来。


  弗里德曼团队通过分析来自哈勃天空望远镜的18个红巨星的数据,重新计较出了新的哈勃常数69.8km/s/Mpc。


  这项研究发表在预印本网站,当前已被《天体物理学》杂志接收。


  弗里德曼团队分析的红巨星的数据只有18个,数据量还不够多。随着数据量的积累,这项分析技术的精确度将变得更高,到那个时候,红巨星分析方法可能将成为计较哈勃常数的重要手段。


  随着哈勃常数的测量越来越精确,天文学家可以排除一些错误的宇宙学理论——当前关于暗物质的理论层出不穷,随着哈勃常数被精确测定,这些理论有很多都会被淘汰。同时我们晓得,哈勃常数的倒数与宇宙的年龄有关——哈勃常数越大,宇宙的年龄就越小。所以,测量哈勃常数,其实等价于在测量宇宙的年龄。非常后,哈勃常数的精确确定,相当于定出了整个宇宙学模型的环节片面,从而可以让我们更好理解宇宙的未来命运走向。


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