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一个数字表明我们对宇宙的概念有根本的错误

用地面望远镜拍摄的大麦哲伦云的图像。这张插图是哈勃太空望远镜拍摄到的,显示了一个星系团中充满了变星造父变星,这是一类经常闪烁的恒星。利用这种脉动率,科学家们计算出了宇宙的膨胀率,但这个数字与其他宇宙现象得出的数值不符,比如宇宙微波背景辐射大爆炸的回声。(图片版权所有)美国国家航空航天局,欧空局,A.Riess(STScI/JHU)和帕洛马尔数字化天空调查,“KDSP”宇宙中有一个令人费解的谜团。用不同 ... 测量宇宙膨胀率的结果总是不一致。这种情况被称为“危机”。

问题集中在哈勃常数上。这个单位以美国天文学家埃德温·哈勃命名,描述了宇宙在离地球不同距离上膨胀的速度。根据欧洲航天局(ESA)普朗克卫星的数据,科学家们估计这一速度为每百万光年46200英里(或者,使用宇宙学家的单位,每兆帕每秒67.4公里),但使用被称为造父变星的脉动恒星进行的计算表明这一速度为50英里,每百万光年400英里每小时(73.4公里/秒/英里每小时)。

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如果第一个数字是正确的,这意味着科学家几十年来一直在错误地测量到宇宙中遥远物体的距离。但是,如果第二个是正确的,那么研究人员可能不得不接受异国情调的新物理的存在。天文学家们,可以理解,对这种差异感到非常恼火。

外行应该如何看待这种情况?而这种区别究竟有多重要,在外人看来是微不足道的?为了弄清这场冲突的根源,现场科学部召集了芝加哥大学的天文学家巴里·马多尔(Barry Madore),他也是测量哈勃常数的一个小组的成员。

的麻烦始于埃德温·哈勃本人。回到1929,他注意到更远的星系离开地球的速度比他们的近距离星系快。他发现一个物体离我们星球的距离和它后退的速度之间有一个线性关系。

“这意味着有什么可怕的事情正在发生,”马多尔告诉《生活科学》为什么我们会是宇宙的中心?答案并不直观,那就是[远处的物体]不移动。在万物之间创造了越来越多的空间。

哈勃意识到宇宙正在膨胀,而且似乎在以恒定的速度膨胀——因此,哈勃常数。他测量的值大约为每百万光年每小时342000英里(501公里/秒/英里),几乎是目前测量值的10倍。多年来,研究人员对这个速率进行了改进。

的情况在20世纪90年代末变得更加怪异,当时两个天文学家小组注意到,遥远的超新星比预期的要暗,因此距离更远,马多尔说。这表明宇宙不仅在膨胀,而且在加速膨胀。天文学家将这一神秘现象的起因命名为暗能量。

在接受了宇宙正在做一些奇怪的事情之后,宇宙学家转向了下一个明显的任务:尽可能精确地测量加速度。通过这样做,他们希望从头到尾追溯宇宙的历史和演化。

马多尔把这项任务比作走进一个赛马场,一眼就能看到跑着的马。从这一点上,有人能推断出所有的马都是从哪里开始的,哪一匹马会赢吗?”

这类问题听起来可能无法回答,但这并没有阻止科学家们的尝试。在过去的10年里,普朗克卫星一直在测量宇宙微波背景,这是大爆炸的一个遥远的回声,它提供了这是130亿年前婴儿宇宙的快照。利用天文台的数据,宇宙学家可以在非常小的不确定度下确定哈勃常数的一个数字。

“它很漂亮,”马多尔说。但是,马多尔说:“这与人们在过去30年里所做的工作相矛盾,在过去的30年里,天文学家们也一直在使用望远镜观察遥远的造父变星,并计算哈勃常数。这些恒星根据其亮度以恒定的速率闪烁,因此研究人员可以根据造父变星的脉动来准确地判断造父变星的亮度。通过观察恒星实际上有多暗,天文学家可以计算到它们的距离。但是使用造父变星对哈勃常数的估计与来自普朗克的不匹配。

这种差异看起来可能很小,但每个数据点都很精确,它们的不确定性之间没有重叠。马多尔说,不同的一方互相指责对方,说他们的对手包括错误地放弃他们的结果。

,但他补充说,每个结果也取决于大量的假设。回到赛马的比喻,马多尔把它比喻为试图找出胜利者,同时必须推断出哪匹马会先累,最后会获得突然爆发的能量,这将从昨天的雨和许多其他难以确定的变数中滑落在潮湿的草地上。

如果造父变星小组是错误的,这意味着天文学家一直在错误地测量宇宙中的距离,马多尔说。但是,如果普朗克是错的,那么有可能新的和奇异的物理学必须被引入宇宙学家的宇宙模型中,他补充说。这些模型包括不同的刻度,如存在的亚原子粒子的类型,称为中微子,它们被用来解释宇宙微波背景的卫星数据。为了调和哈勃常数与现有模型的普朗克值,一些拨号器必须被调整,Madore说,但是大多数物理学家还不愿意这么做。“KDSPE”“KDSPs”希望提供另一个可以在双方之间进行调解的数据点,马多尔和他的同事最近观察了红巨星的光芒。这些天体在其生命结束时达到了相同的峰值亮度,这意味着,就像造父变星一样,天文学家可以观察它们从地球上看起来有多暗,从而很好地估计出它们的距离,从而计算出哈勃常数。

这一结果于7月公布,提供了两个先前测量值之间的平方数:47300英里/小时/百万光年(69.8公里/秒/英里/小时)。这种不确定性包含了足够的重叠,可能与普朗克的结果一致。

,但研究人员还没有打开香槟瓶塞,马多尔说“我们想打个平手,”他说但它没有说这边或那边是对的。它说有比大家想象中更多的垃圾。

其他团队也参与进来了。一个名为“H0透镜”的小组正在观察早期宇宙中遥远的明亮天体,称为类星体,它们的光被我们和它们之间的巨大天体引力透镜化。通过研究这些类星体,研究小组最近提出了一个更接近天文学家的估计。来自激光干涉仪引力波观测站(LIGO)的信息可以提供另一个独立的数据点,LIGO观测来自碰撞中子星的引力波。但马多尔说,这种计算仍处于早期阶段,尚未完全成熟。

对他来说,马多尔说,他认为普朗克和天文学家价值之间的中间数最终会占上风,尽管他目前不会对这种可能性下太多赌注。但在得出结论之前,他希望看到研究人员的态度有所缓和。

“很多泡沫”

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