哈勃常數(shù)最新測(cè)量表明：宇宙“標(biāo)準(zhǔn)模型”本身可能出了問(wèn)題！

用國(guó)際射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的一組新精確距離測(cè)量，極大地增加了理論家需要修改描述宇宙基本性質(zhì)“標(biāo)準(zhǔn)模型”的可能性。新的距離測(cè)量使天文學(xué)家能夠改進(jìn)對(duì)哈勃常數(shù)（宇宙膨脹率）的計(jì)算，這個(gè)值對(duì)于測(cè)試描述宇宙組成和演化理論模型很重要。問(wèn)題是，當(dāng)應(yīng)用于普朗克衛(wèi)星對(duì)宇宙微波背景的測(cè)量時(shí)，新的測(cè)量加劇了之前測(cè)量哈勃常數(shù)與模型預(yù)測(cè)值之間的差異。

美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)（NRAA）詹姆斯·布拉茨(James Braatz)表示：我們發(fā)現(xiàn)星系比標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型預(yù)測(cè)的更近，這證實(shí)了其他類(lèi)型的距離測(cè)量中發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題是存在于模型本身，還是存在于用于測(cè)試它的測(cè)量結(jié)果。研究使用了一種完全獨(dú)立于所有其他測(cè)量技術(shù)的距離測(cè)量技術(shù)，縮小了實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值之間的差距，很可能是預(yù)測(cè)中涉及的基本宇宙學(xué)模型存在問(wèn)題。

哈勃常數(shù)

布拉茨領(lǐng)導(dǎo)著Megamaser宇宙學(xué)項(xiàng)目，該項(xiàng)目通過(guò)尋找具有特定屬性的星系來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)，這些星系有助于產(chǎn)生精確的幾何距離。該項(xiàng)目使用了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的甚長(zhǎng)基線陣列(VLBA)、卡爾·G·詹斯基甚大陣列(VLA)和羅伯特·C·伯德·格林班克望遠(yuǎn)鏡(GBT)，以及德國(guó)的埃菲爾斯伯格望遠(yuǎn)鏡，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《天體物理學(xué)》期刊上。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡是以著名天文學(xué)家埃德溫·哈勃的名字命名。

哈勃在1929年首次通過(guò)測(cè)量到星系的距離和后退速度來(lái)計(jì)算宇宙的脹率(哈勃常數(shù))。星系距離越遠(yuǎn)，離地球的后退速度就越快，現(xiàn)在哈勃常數(shù)仍然是觀測(cè)宇宙學(xué)的一個(gè)基本性質(zhì)，也是許多現(xiàn)代研究的焦點(diǎn)。測(cè)量星系的后退速度相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，確定宇宙距離一直是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。對(duì)于我們銀河系中的物體，天文學(xué)家可以通過(guò)測(cè)量從地球繞太陽(yáng)軌道的兩邊觀察時(shí)物體位置的明顯偏移來(lái)測(cè)量距離。

標(biāo)準(zhǔn)蠟燭

這種效應(yīng)被稱(chēng)為視差，第一次這樣測(cè)量恒星的視差距離是在1838年。在銀河系之外，視差太小而無(wú)法測(cè)量，所以天文學(xué)家們依賴(lài)于被稱(chēng)為“標(biāo)準(zhǔn)蠟燭”天體，之所以這樣命名，是因?yàn)樘煳膶W(xué)家假定它們的固有亮度是已知的。到已知亮度物體的距離可以根據(jù)該物體從地球上看起來(lái)有多暗來(lái)計(jì)算。這些標(biāo)準(zhǔn)蠟燭包括一類(lèi)被稱(chēng)為造父變星的恒星和一種特殊類(lèi)型的恒星爆炸，被稱(chēng)為Ia型超新星。

另一種估計(jì)膨脹率的方法包括觀察遙遠(yuǎn)的類(lèi)星體。這些類(lèi)星體的光線，因前景星系的引力效應(yīng)而彎曲成多幅圖像。當(dāng)類(lèi)星體的亮度變化時(shí)，這種變化會(huì)在不同的時(shí)間出現(xiàn)在不同的圖像中。測(cè)量這一時(shí)間差，以及計(jì)算光彎曲的幾何形狀，就可以得到膨脹率的估計(jì)值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)蠟燭和引力透鏡類(lèi)星體測(cè)定哈勃常數(shù)，得出的數(shù)值為每73~74km/s/Mpc。然而，將標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中的哈勃常數(shù)預(yù)測(cè)應(yīng)用于宇宙微波背景(CMB)-大爆炸遺留下來(lái)的輻射測(cè)量時(shí)：

得到的值為67.4km/s/Mpc，這是一個(gè)顯著而令人不安的差異。天文學(xué)家表示，這種差異超出了觀測(cè)中的實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型有嚴(yán)重影響。這個(gè)模型被稱(chēng)為蘭姆達(dá)冷暗物質(zhì)（蘭姆達(dá)CDM），其中“蘭姆達(dá)”是指愛(ài)因斯坦的宇宙常數(shù)，是暗能量的代表。該模型將宇宙的組成主要分為普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量，并描述了自大爆炸以來(lái)宇宙是如何演化的。Megamaser宇宙學(xué)項(xiàng)目的重點(diǎn)是：星系中心有含水分子吸積盤(pán)圍繞著超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)的星系。

新哈勃常數(shù)值

如果從地球上幾乎可以看到繞軌道運(yùn)行的黑洞吸積盤(pán)，稱(chēng)為脈澤的射電發(fā)射亮點(diǎn)?？梢杂脕?lái)確定黑洞吸積盤(pán)的物理大小和角度范圍，因此，通過(guò)幾何學(xué)，可以確定它的距離，研究團(tuán)隊(duì)使用全世界射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)技術(shù)所需的精確測(cè)量。在最新研究中，研究小組改進(jìn)了對(duì)四個(gè)星系的距離測(cè)量，距離從1.68億光年到4.31億光年不等。結(jié)合之前對(duì)另外兩個(gè)星系的距離測(cè)量，計(jì)算得出了哈勃常數(shù)的值為73.9km/s/Mpc。

測(cè)試宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，需要對(duì)哈勃常數(shù)進(jìn)行有史以來(lái)最精確的測(cè)量。哈勃常數(shù)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間的差異指向了所有物理學(xué)中最基本的問(wèn)題之一，所以科學(xué)家希望有多個(gè)獨(dú)立的測(cè)量來(lái)證實(shí)這個(gè)問(wèn)題，并測(cè)試這個(gè)模型。哈佛史密斯天體物理中心的研究員多姆·佩斯(Dom Pesce)說(shuō)：才用幾何方法，完全獨(dú)立于所有其他方法，縮小了這種差異。測(cè)量宇宙膨脹率的脈澤方法很優(yōu)雅，而且與其他方法不同，它是基于幾何學(xué)的。

宇宙模型出了問(wèn)題

通過(guò)測(cè)量遙遠(yuǎn)黑洞周?chē)e盤(pán)中脈澤斑點(diǎn)極其精確的位置和動(dòng)力學(xué)，可以確定到宿主星系的距離，然后確定膨脹率。Megamaser宇宙學(xué)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的成員、哈佛和史密森天體物理中心的馬克·里德說(shuō)：自這項(xiàng)獨(dú)特技術(shù)的結(jié)果加強(qiáng)了觀測(cè)宇宙學(xué)中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的理由。對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量與其他測(cè)量非常接近，在統(tǒng)計(jì)上與基于CMB和標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的預(yù)測(cè)非常不同，所有跡象都表明標(biāo)準(zhǔn)模型需要修訂。

天文學(xué)家有多種方法來(lái)調(diào)整模型以解決這種差異，其中一些措施包括改變對(duì)暗能量性質(zhì)的假設(shè)，遠(yuǎn)離愛(ài)因斯坦的宇宙常數(shù)。其科學(xué)家則著眼于粒子物理學(xué)的根本性變化，比如改變中微子的數(shù)量或類(lèi)型，或者改變中微子之間相互作用的可能性。還有其他的可能性，甚至更具異國(guó)情調(diào)，目前科學(xué)家們沒(méi)有明確的證據(jù)來(lái)區(qū)分它們。這是觀察和理論相互作用的經(jīng)典案例，蘭姆達(dá)冷暗物質(zhì)模型多年來(lái)一直運(yùn)行得相當(dāng)好，但現(xiàn)在的觀察顯然指出了一個(gè)需要解決的問(wèn)題，問(wèn)題似乎出在模型上。

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博科園｜研究/來(lái)自：美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)

研究發(fā)表期刊《天體物理學(xué)》

DOI: 10.3847/2041-8213/ab75f0

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