光学干涉观测精确丈量宇宙

作者: 宋盛雨央等

来源: 赛先生天文

发布日期: 2020-05-06 19:09:07

文章讨论了光学干涉观测在精确丈量宇宙距离中的应用,以及如何通过这种方法解决“哈勃常数危机”,揭示宇宙动力学背后的基本物理。

自古以来,人类从未停止过探索宇宙的脚步。每当抬头望向那片令康德“震撼心灵的灿烂星空”时,总能勾起人们对她的各种思索,这些闪烁着的繁星到底离我们有多远(天有多高)?浩瀚的宇宙有多大?如何运动?几何形状又如何?人类在宇宙中又处于一个怎样的位置?这些带有浓厚哲学色彩的自然科学问题数千年来一直吸引着无数智慧为之洒下汗水,在欢庆“精确宇宙学”时代的辉煌成就的今天,却又惊现“哈勃常数危机”的突兀挑战。

实验物理学史上从来没有一个常数的测量像哈勃常数这样用时之长、困难之大、如此跌宕起伏且挑战着物理学大厦的基础。光学干涉这一高精度测量工具乍现或许带来距离测量的曙光与新希望,它会揭示宇宙动力学背后的基本物理吗?让我们翘首以盼。

天体距离测量是天文学中一项最基本和最难测量的任务。

在1920年代,雄心勃勃的年轻天文学家哈勃使用2米口径的望远镜以造父变星作为“量天尺”,证认了银河系以外的星系,定量诠释了“天外有天”这个哲学色彩浓重的朴素信念,使人类的视野终于跨出自身居住的“银河系”,也使之成为有坚实科学观测基础的真理;更令人震撼的是,他还发现了几乎所有的星系都正在远离我们而去,且远离速度和距离成正比,整个宇宙由此看起来正在膨胀。现称之为哈勃定律。

人类从此终于踏上了探索宇宙的旅程,这一史诗般壮丽的进展被认为是上世纪最伟大的天文发现。

利用造父变星测量河外星系距离已历经了长达90年之久,其中经历了对造父变星观测性质分类、不同波段性质差异以及对金属丰度的依赖等重要因素的长期艰苦研究,才使得消光与红化等若干修正得以不断提高。著名的“哈勃空间望远镜”其主要任务就是通过造父变星确定有巨大争议的“哈勃常数”。

美国天文学家W. Freedman领导的团队经过近十年的努力,花费了哈勃望远镜大量观测时间,测量出这个常数大约为72kms-1Mpc-1(为方便以下叙述省略哈勃常数单位),许多悖论得以解释,使争论长达半个世纪之久的难题得以平息。

为了测量更遥远的距离,天文学家很早就认识到光度更高的Ia型超新星可作为标准烛光,但是成为可靠的测距工具则归功于M. Phillips,他于1993年发现按照光变曲线形状标准化的经验关系后才使测量更加遥远的宇宙成为可能。终于在1998/1999年天文学家取得令人惊叹的观测结果:宇宙正在加速而非减速膨胀!这表明宇宙中存在着某种未知的斥力,现称之为“暗能量”,推动宇宙加速运动。

虽然哈勃定律使爱因斯坦认识到自己“一生中最大的错误”,但半个多世纪后它却全胜回归宇宙学方程,这反映出百年前爱因斯坦对宇宙的深邃思考。这一重大发现在13年后获得了诺贝尔物理学奖。然而距离测量因为需要理解暗能量物理而变得更加迫切,此时超新星能力有限已难于胜任。

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