這些發現強化了一種觀點,即哈勃張力并非僅僅是測量誤差,而可能反映了當前理論無法解釋的真實物理現象。
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十多年來,宇宙學一直困于一個令人費解的矛盾之中。測量宇宙膨脹的兩種最可靠方法給出了兩個不同的答案。
一組基于鄰近恒星和爆發的超新星的測量表明,宇宙膨脹速率約為每秒每百萬秒差距73公里。而另一種基于宇宙大爆炸遺留的微弱輻射——即宇宙微波背景輻射——的方法,則指向一個更慢的膨脹速率,約為每秒每百萬秒差距67公里。
這種不匹配,也被稱為哈勃張力,已發展成為現代物理學最重大的問題之一。如果這種分歧是真實存在而非錯誤所致,則可能意味著我們對宇宙的理解并不完整。
如今,一個天文學家團隊從一個完全不同的角度切入此問題,他們通過測量引力透鏡類星體光路中的微小時間延遲來展開研究。他們的新分析為哈勃張力可能反映了真實物理現象,而不僅僅是過去測量方法失誤的觀點增添了砝碼。
研究作者表示:“哈勃張力至關重要,因為它可能指向宇宙學揭示新物理的新時代。”
不依賴距離階梯測量宇宙膨脹
傳統上,天文學家構建距離階梯來估算天體距離以及它們遠離我們的速度。他們從亮度已知的恒星開始,然后用它們來校準超新星,再用那些超新星來測量整個宇宙的距離。
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這是一種強大的技術,但每個步驟中的微小不確定性會累積起來,批評者認為這可能是哈勃張力背后的原因。這項新研究使用了一種稱為“時間延遲宇宙學測量法”的方法,完全繞過了這個階梯。它依賴于引力最奇特的技巧之一,即引力透鏡效應。
研究人員之一、東京大學助理教授Eric Wong解釋道:“要使用時間延遲宇宙學測量哈勃常數,你需要一個質量非常大的星系來充當透鏡。這個‘透鏡’的引力會使隱藏在其后面的天體(類星體)發出的光線發生偏折,環繞自身彎曲,因此我們看到的是它們扭曲的影像。這被稱為引力透鏡效應。”
這種彎曲可以為同一個類星體產生多個影像,每個影像的光線路徑略有不同,因此到達地球的時間也不同。研究人員使用了八個這樣的透鏡系統,每個系統都包含一個前景星系和一個背景類星體。每當類星體變亮或變暗時,這些變化都會在多個影像中顯現出來,但存在微小的延遲。
通過精確測量這些延遲,他們可以推算出每條光路的長度。然而,僅靠時間測量還不夠。為了計算膨脹速率,該團隊還需要估算透鏡星系內部的質量分布情況,因為透鏡的形狀決定了光線如何彎曲。
他們結合了包括詹姆斯·韋伯空間望遠鏡在內的世界頂級望遠鏡拍攝的詳細圖像,以及星系典型質量分布的模型。將時間延遲數據和質量分布數據結合起來,使他們得以測量哈勃常數,精度約為4.5%。
這項測量支持了在局部宇宙研究中觀測到的較高膨脹速率(約每秒每百萬秒差距73公里),暗示著“哈勃張力”可能反映了真實的物理現象,而不僅僅是測量誤差。然而,由于不確定性依然存在(特別是關于透鏡星系內部質量分布方面),科學家們尚未準備好宣布標準宇宙學模型被打破。
更趨一致但尚未確證
這些發現強化了一種觀點,即哈勃張力并非僅僅是測量誤差,而可能反映了當前理論無法解釋的真實物理現象。
例如,如果宇宙在過去以不同于標準宇宙學預測的方式膨脹,或者如果某種未知形式的能量或粒子起了作用,這可能迫使科學家重寫大爆炸模型的部分內容。
然而,研究人員強調,仍有大量工作要做。他們面臨的主要局限是透鏡星系內部質量分布的不確定性;即使是很小的偏差也會改變最終數值。他們還需要更大的樣本量。八個系統不足以達到明確判定是否需要新物理的所需精度(1%至2%)。
研究作者之一、東京大學博士后研究員Eric Paic表示:“目前,我們的精度約為4.5%,為了真正將哈勃常數鎖定在能夠明確證實哈勃張力的水平,我們需要達到約1-2%的精度。”
他們的下一步是增加時間延遲透鏡的數量,收集更清晰的圖像,并排除任何剩余的誤差來源。隨著新型強大的望遠鏡投入使用,研究作者相信這種方法很快能提供更精確的測量結果。
Paic說:“這項工作的主要焦點是改進我們的方法論,現在我們需要增加樣本量以提高精度,并最終解決哈勃張力問題。”
該研究已發表在《天文學與天體物理學》期刊上。
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