韦布望远镜更精确的观测,却让科学家对宇宙膨胀更困惑

作者: 王善钦

来源: 返朴

发布日期: 2024-03-28 08:01:26

韦布空间望远镜的最新观测证实,使用“距离阶梯法”得到的哈勃常数确实与宇宙学标准模型得到的哈勃常数不一致,这种不一致被称为“哈勃冲突”。这一发现使得科学家对宇宙膨胀的理解更加困惑,因为这可能意味着基础物理学需要发生新的变革,或者需要修正与恒星天文学有关的知识。

我们的宇宙在膨胀,衡量宇宙膨胀率的一个重要“常数”是哈勃常数。有两种计算哈勃常数的方法:“距离阶梯法”与标准宇宙学模型方法。随着测量精度的提高,两类方法获得的哈勃常数却出现明显差异。一些人猜测“距离阶梯法”的骨干仪器——哈勃空间望远镜(HST)——在测量遥远造父变星时产生一定偏差,使该方法得到的哈勃常数不够准确。然而,韦布空间望远镜(JWST)的最新观测证明HST的观测是准确的。

因此,哈勃常数问题依然没有被解决。是距离阶梯法中某个环节出现了问题,还是标准宇宙学模型出了问题?

最近,2011年诺贝尔奖得主里斯的团队宣布:韦布空间望远镜(JWST)的观测证实,使用“距离阶梯法”得到的哈勃常数确实与宇宙学标准模型得到的哈勃常数不一致。两种方法得到的哈勃常数不一致,被称为“哈勃冲突”。

那么,什么是哈勃常数?如何测量哈勃常数?“哈勃冲突”是如何产生的?如果确实存在“哈勃冲突”,那将意味着什么?

哈勃常数本质上是“速度除以距离”。那么它的倒数就是“距离除以速度”,即时间。因此,哈勃常数还与宇宙年龄密切相关:假设宇宙匀速膨胀,哈勃常数的倒数——“哈勃时间”——等于宇宙年龄。

如何计算哈勃常数:距离阶梯法。早期的天文学家使用视差法测量天体的距离。视差法的基本原理是:在不同地方观测同一个天体,得到两条视线后,测出两条视线的夹角,再结合测量地点之间的距离,用三角函数计算出天体距离。夹角的一半被称为“视差”。

然而,绝大部分恒星太远,视差小到无法测量。在地面上一般只能测出几百光年以内的恒星的视差。对于更远的距离,天文学家需要使用更强大的工具。

1912年,哈佛天文台默默无闻的女天文学家勒维特根据持续的观测,发现一个重要规律:造父变星光度越高,变化周期越大。更精确地说,二者取对数后存在一次函数关系。这就是著名的“周期-光度关系”(“周光关系”),近些年也被称为“勒维特关系”。

造父变星的周期是容易测出的,因此,只要用视差法测出近距离的造父变星的距离,就能以它们作为标尺,结合周光关系得到远距离造父变星的光度,从而得到距离。

测量宇宙距离的三种方法:视差法、造父变星法与Ia型超新星法。对于更远的距离,用造父变星测距,再远的就用Ia型超新星来测距。

这样就形成了一个三级阶梯:视差—造父变星—Ia型超新星。虽然这只是众多距离阶梯中的一种,但这个阶梯是最强大、最精准的距离阶梯。

哈勃当时混淆了两种造父变星,因此得到的哈勃常数偏大。后来经过不断修正,这个值在1990年之前被确定为50-100之间,但不确定性较大。

1990年升空的哈勃空间望远镜可以测量到大约1万光年的距离。这使得精确测定哈勃常数成为可能。

天文学家执行了“哈勃空间望远镜关键计划”——通过对造父变星距离的精确测定来计算哈勃常数精确值。2001年,KP得到哈勃常数的值为72,误差为8。2011年,里斯领衔的团队根据对9个星系中造父变星的距离测量,计算得到哈勃常数的新数值为73.8,误差范围为2.4。

计算哈勃常数的另一种方法是使用标准宇宙学模型。该模型假定宇宙中的物质由暗能量、冷暗物质与普通物质构成。其中,暗能量用希腊字母Λ表示,冷暗物质的缩写为CDM;因此,标准宇宙学模型也被简称为ΛCDM模型。

使用标准宇宙学模型拟合宇宙微波背景辐射数据,就可以得到哈勃常数与其他重要的宇宙学参数。

理论表明,CMB形成于宇宙大爆炸后约38万年,当时宇宙中的电子与氢离子复合为中性的氢原子,基本不再与光子相互作用。这些光子因此“脱耦”,成为背景光子,当时它们的温度约为3000 K。随着宇宙不断膨胀,背景光子的波长被拉长约1000倍,能量也因此降低约1000倍,温度变为约2.725 K,主要集中于微波波段,因此得名宇宙微波背景辐射。

探测微波背景辐射的卫星先后有宇宙背景探测器、威尔金森微波各向异性探测器卫星与普朗克卫星。

于是问题出现了,即使都考虑误差,距离阶梯法得到的哈勃常数超过72,而ΛCDM模型得到的哈勃常数则低于68。如果只考虑中值,那二者的差异更明显,由前者推断出的宇宙膨胀速度比后者的推断大9%。

这就是文章开头提到的“哈勃冲突”。

针对两种方法之间不可调和的矛盾,有人认为,随着距离的增加,造父变星的光与其周围恒星的光越来越难分开,因此受到附近恒星的光的污染越来越严重,导致HST在测定造父变星的光度时产生较大偏差;如果没有这种偏差,可能就没有哈勃冲突。

2023年,里斯团队使用JWST对5个星系进行了观测,它们都曾经爆发过Ia型超新星,且包含大量造父变星。他们从这些星系中确定出1000多颗造父变星。

这次测量为宇宙学家们带来了一个好消息与一个坏消息。好消息是:JWST的红外观测品质比HST的红外观测品质更好;坏消息是:哈勃冲突没解决,而且以后没法甩锅给HST了。

如果距离阶梯法对哈勃常数的测量确实准确,那ΛCDM模型中的其他参数必须改变,这样才可以让这个模型拟合出的哈勃常数等于距离阶梯法得到的值。这里的“其他参数”涉及暗能量、暗物质、宇宙曲率,等等。

因此,要想解决这个问题,可能要假设有奇特的暗能量,或奇特的暗物质,或新的相对论性粒子,或者假设宇宙的曲率与零有轻微偏离。如果这些假设中的任何一个成立,就意味着基础物理学又要发生新的变革。

如果是距离阶梯法出了问题,那就意味着我们必须检查修正与恒星天文学有关的一些知识了。因此,哈勃冲突对于天文学与宇宙学都是一个挑战。

最后再谈谈“哈勃冲突”这个词组。它既描述了使用两大类方法得到的“哈勃常数”之间的冲突,其读音又与英文中“高血压”这个词相近。

我特意查找了Di Valentino等人于2021年发表的长达110页的关于“哈勃冲突”的综述论文,但没有发现里面提到哪篇文献最早提出“哈勃冲突”这个词组,虽然里面出现了近300次“哈勃冲突”。

所以我暂时还不知道谁发明了这个词组。不过,不管发明“哈勃冲突”这个词组的人是谁,也不管此人有没有高血压,哈勃冲突倒是真会让一部分有高血压的宇宙学家因为血压升高而头疼。

套用一个网络热梗来说:发明“哈勃冲突”这个词组的人真是个天才!

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