韋伯量測宇宙膨脹的速度，遇到一個嚴重的危機

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡測量了宇宙膨脹的速度 並且存在一個嚴重的問題 結果證實了宇宙學中最大的危機 哈勃張力 這意味着宇宙正在以比我們最好的宇宙學模型 預測的更快的速度膨脹 但沒有人知道其中的原因 因爲它凸顯了我們對膨脹宇宙的理解 存在根本缺陷 早些時候天文學家認爲 觀察到的差異是由於我們的技術限制造成的 而詹姆斯·韋伯太空望遠鏡等下一代天文臺 可以克服這一問題 但是韋伯的結果使宇宙學危機變得更加嚴重 它表明我們在計算或觀察中遺漏了一些東西 那麼什麼是哈勃張力 爲什麼它成爲天文學如此嚴重的問題 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡看到了什麼 證實了宇宙危機 最重要的是 在解決哈勃張力時會揭示什麼新物理 大家好 要了解宇宙學中最大的危機 我們需要追溯到上世紀20年代 兩位天文學家哈洛夏普利和賀博科蒂斯 進行了一場嚴肅的辯論 這場爭論的核心是關於宇宙的規模 這個問題既簡單又深刻 我們的銀河系是整個宇宙嗎 還是在它之外還有其他星系 使得宇宙比我們想象的要大得多 這個問題在今天聽起來很奇怪 但在當時 天文學家相信整個宇宙僅由一個星系組成 即銀河系 當然我們還有其他星系的照片 例如仙女座星系 但在很長一段時間裏 它們被認爲是位於銀河系內的恆星系統 出於同樣的原因 它們被稱爲螺旋星雲而不是星系 所以爭論的焦點 集中在螺旋星雲是否位於銀河系內 沙普利認爲銀河系寬約30萬光年 所有恆星系統都存在於銀河系外圍 換句話說 銀河系就是整個宇宙 另一方面 柯蒂斯認爲 這些星雲是獨立的星系 就像我們的銀河系一樣 這場辯論發生在1920年4月26日 這是一場在有願景的觀點衝突 因爲宇宙的規模和星雲的性質 都是懸而未決的問題 遺憾的是 辯論並沒有取得重大成果 天文學家仍然存在分歧 這個問題的答案既不是來自沙普利 也不是柯蒂斯的論點 而是一位名叫埃德溫·哈勃的 美國天文學家的細緻工作 1924年 哈勃使用當時最強大的望遠鏡 威爾遜山天文臺 完成了一項驚人的發現 他在仙女座星雲中觀察到了造父變星 當時該星雲被認爲是銀河系的一部分 特別是它測量了我們和 造父變星第一之間的距離 結果是距離地球約100萬光年 這大約比沙普利 對銀河系大小的估計的三倍 這意味着柯蒂斯的說法是正確的 這些螺旋星雲是巨大的星系 就像我們的星系一樣 儘管哈勃的估計 小於我們今天所知的距離 但這表明宇宙遠比以前認爲的要大得多 自此 這一發現猶如打開了潘多拉魔盒 它即將產生一個數字 這個數字將成爲宇宙學中 最大的爲解決問題之一的根源 當埃德溫-哈勃觀察宇宙時 他發現了一個有趣的現象 深空的星系正在遠離我們 而且它們離我們越遠 其遠離的速度越快 因此 如果V是星系後退的速度 d是到該星系的距離 那麼V與地層正比 這種看似簡單的關係 催生了天文學中最具爭議的數字 哈勃常數 這個數字是理解詹姆斯 微薄太空望遠鏡最近發現的關鍵 哈勃常數的物理意義很簡單 它告訴我們 星系每離開我們100萬秒差距 其遠離我們的速度有多快 兆秒差距是一個距離單位 大約326萬光年 計算星系遠離的速度很容易 我們所需要做的是 確定它的紅移 並使用一個簡單的方程找到速度 但是測量距離一直是一個難題 我們如何準確測量 距離數百萬光年的星系 天文學家發現了一個聰明的方法 他們使用了一類特殊的恆星 稱爲造父變星 造父變星是以非常有規律的方式 脈動的恆星 它們以可預測的模式變亮和變暗 19世紀90年代 亨利艾塔·勒維特研究了 麥哲倫星系中的大量造父變星 並發現了它們的週期 和光度之間的重要關係 造父變星的脈動速率 與其真實的光度直接相關 簡單地說就是 脈動週期越長恆星就越亮 如果你想計算到一個星系的距離 你需要執行三個步驟 首先是觀察脈動 天文學家觀測在一個遙遠星系中的 造父變星 並仔細測量恆星經歷一個完整的增亮 和變暗週期所需的時間 由於週期與其亮度有關 因此我們可以使用週期光度關係 來測量恆星的實際亮度 這被稱爲絕對星等 如果恆星需要30天經歷一個完整的週期 它的絕對星等或真實亮度爲-4.85 第二步涉及比較表觀亮度和真實亮度 恆星的適量度可以用望遠鏡測量 假設結果是24 而我們肉眼極限是6 這意味着我們視力中的恆星 第三步也是最後一步 亮度與距離關係 這是天文學中的一個基本規則 如果你知道某個東西到底有多亮 並且可以測量它 你就可以使用天體物理學中的 一個簡單方程計算它有多遠 所以首先我們觀察了恆星的脈動週期 然後我們使用週期光度關係 來確定恆星的絕對亮度 之後使用我們的望遠鏡測量 這顆恆星從地球上看到的亮度 最後使用一個簡單的方程 我們便能確定這顆恆星距離我們有多遠 通過這樣的方式 利用一顆特殊類別的單顆恆星 我們就可以找到它到所在星系的距離 天文學家還使用EA型超新星 來代替造父變星 來確定到其宿主星系的距離 雖然造父變星對於確定 幾十兆秒差距的距離很有用 而EA型超新星 卻能在幾百兆秒差距的尺度上 幫助我們確定距離 有時天文學家結合這兩種方法 來確認距離測量 天文學家使用造父變星 確定了一個值 每秒每兆秒差距73.4公里 但他們怎麼這麼確定這個數字呢? 事實上並不是這麼確定 這就是爲什麼他們想要使用 宇宙學模型來驗證這個數字 如果結果匹配 那麼他們對於宇宙膨脹的看法是正確的 但如果這些值不匹配 則表明我們對宇宙的理解 存在根本缺陷 這個獨立的方法涉及大爆炸遺蹟 宇宙微波背景 宇宙微波背景是宇宙中最古老的光 是大爆炸留下的微弱光芒 瀰漫在整個宇宙中 它提供了大爆炸發生後38萬年 恆星和星系形成之前的宇宙快照 宇宙微波背景的測量 並不直接依賴於宇宙距離階梯 天文學家用來測量宇宙距離的一系列步驟 提供了一種交叉檢查 從造父變星和超新星獲得的結果的方法 天文學家使用威爾金森微波 各項異性探測器 和普朗克航天器等衛星 來繪製CNB微小的溫度波動地圖 這些波動反映了早期宇宙的密度變化 並與各種宇宙學參數有關 這其中包括宇宙膨脹的速率 當天文學家使用這兩種方法 計算哈勃常數時 他們期望找到相同的值 然而他們遇到了令人驚訝的轉折 CNB方法得出的哈勃常數 值約爲67公里每秒每百兆秒差距 低於使用造父變星和超新星確定的值 這兩個值之間的差異可能看起來很小 但超出了此類精確測量的預期誤差範圍 這個差異就是所謂的哈勃張力 這是宇宙學中最大的危機 本質上這是在我們鄰居星系中 觀察到的宇宙膨脹率 與從早期宇宙的條件 推斷出的膨脹率之間的衝突 天文學家仍然抱有希望 他們認爲觀察到的差異 可能是由於哈勃和其他巨型望遠鏡的 分辨率有限造成的 他們熱切地等待詹姆斯微博 太空望遠鏡的結果 希望紅外天文臺將化解這場危機 然而結果只是證實了他們最擔心的事情 造負變星常見於密集的恆星區域 而造負變星市場內 其他恆星天體的存在 使其亮度測量變得複雜 影響了距離計算的準確性 一個值得注意的例子是 NGC 5584中被識別爲 造負變星的特定紅點 在哈勃太空望遠鏡的 廣角相機拍攝的圖像中 這個模糊的物體 似乎被許多其他天體包圍 相比之下 憑藉其卓越的紅外功能 微博望遠鏡捕獲的圖像 更清晰地描繪了同一造負變星 更重要的是 它是一個獨立於臨近恆星的獨特實體 科學家們在NGC 4258和NGC 5584 這兩個星系中 觀測到了多個造負變星 NGC 4258是一個相對較近的星系 其距離已確定 使用哈勃望遠鏡和 詹姆斯微博太空望遠鏡 對來自這些星系的 320顆造負變星進行了分析 以評估和比較它們的能力 第一行表示 NGC 4258星系中每顆變星的位置 週期從18到41天不等 在該圖中 哈勃圖像以黑色標記 微博圖像被標記爲紅色 哈勃圖像顯得擁擠 而微博圖像由於其分辨率較高 因此相對較少 這種區別是一項研究論文 被恰當地命名爲 不再擁擠的主要原因 同樣NGC 5584中 發現的兩臺望遠鏡的圖像塊 也顯示所有造負變星 週期爲39至43天 表明造負變星更亮 利用這些觀測結果 爲兩個星系建立了週期星等關係 如兩幅圖所示 以紅色突出顯示的數據點 來自微博綠光片 而灰點代表哈勃望遠鏡的觀測結果 這揭示了什麼 這一比較表明紅色數據點 與灰色數據點遵循相同的趨勢 然而兩個星系的標準差 都明顯減小 標準差越低表明誤差越小 這一趨勢在微博數據點中清晰可見 爲了證實結果 同一團隊在總共六個星系中 觀察了更大的造負變星 和超新星樣本 令他們驚訝的是 他們得到了一致的結果 證實了哈勃張力 基於此 該團隊自信地排除了測量誤差 是哈勃張力的原因 因此 詹姆斯微博太空望遠鏡的觀測 驗證了哈勃常數的價值 證實了宇宙學危機 這意味着哈勃張力 不是技術限制或測量不確定性的結果 相反 它暴露了我們對宇宙的基本理解中的差距 既然詹姆斯微博太空望遠鏡 已經證實了哈勃張力 那麼我們到底在哪個環節犯了錯誤 或者說我們對宇宙微波背景的理解 本身就有問題 導致這兩個值之間存在差異 甚至有可能這兩個值都有缺陷 並且有未知因素在起作用 解決哈勃張力至關重要的原因有三個 首先是測試宇宙學標準模型 哈勃張力可能表明 冷暗物質模型存在潛在缺陷 這是目前最好的宇宙學模型 該模型結合了宇宙常數和冷暗物質 來解釋宇宙的演化和結構 如果哈勃張力是由於模型中的不準確引起的 那麼解決它可能會導致重大修改 第二是瞭解暗能量 暗能量推動宇宙加速膨脹的神祕力量 佔可觀測宇宙的68% 哈勃常數與膨脹速率直接相關 所以其測量的差異 可以爲暗能量的本質提供新的見解 最後瞭解宇宙膨脹率 是預測宇宙命運的關鍵 不同的擴張率可能意味着不同的情況發生 從星系變得越來越孤立的無休止的擴張 到宇宙最終自行塌陷的大擠壓 甚至時空結構被破壞的大撕裂 解決哈勃張力是理解我們宇宙命運的一步 爲此 天文學家正在探索不同的獨立方法 來測量宇宙的膨脹率 一種方法涉及研究引力源 例如黑洞合併 或伴隨着一些光波的緻密天體 另一種方法是通過觀察紅巨星的氦閃 來測量紅巨星的距離 然而天文學家仍然需要確定這些技術 和其他新技術中哪一種更準確 因此隨着哈勃張力的加劇 他爲許多可能性打開了大門