如今宇宙學(xué)中最令人激動的事可能是我們還可以用另一種方法來測量宇宙的膨脹。
宇宙一直在膨脹。我們根據(jù)可探測到的最遠(yuǎn)的電磁輻射測量預(yù)測了一個膨脹率值，但這個值與從距離更近的物體處收集到的測量值不同。若這兩個數(shù)值真的不相容，可能標(biāo)志著目前用來描述宇宙演化的宏大理論被打破了。如今有科學(xué)家設(shè)計了一種令人興奮的新方法，這種方法不太依賴于人類假設(shè)的宇宙運作規(guī)律。
星系團(tuán)SDSS J0915+3826中的引力透鏡
照片來自: 歐洲宇航局/哈勃
“我們的方法對宇宙模型的選擇不敏感，”這項研究的第一作者、來自馬克斯·普朗克天體物理研究所的因·杰（Inh Jee）說，“這是我們真正想強調(diào)的?！?/p>
早在上世紀(jì)20年代，埃德溫·哈勃就讓天文學(xué)家們相信，本就遙遠(yuǎn)的天體正在遠(yuǎn)離我們，但從那時起它們的后退速度，也就是哈勃常數(shù)，就一直是一個爭論的話題。
新型的望遠(yuǎn)鏡帶來了新的觀測結(jié)果，比如那些由普朗克衛(wèi)星拍攝的數(shù)據(jù)已經(jīng)確定哈勃常數(shù)為67.4公里/秒每百萬秒差距，意味著每隔326萬光年(稱為百萬距離)，物體就會以每小時67.4公里的速度彼此遠(yuǎn)離。但是實際基于其附近光源的特性的觀察推測總是得到更大的膨脹率值。
物理學(xué)家們正在爭論這些數(shù)值是否真的更大，如果是的話，值的差異是由于計算物體距離的方式產(chǎn)生的，還是說它真的是一個未被發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)信號?！读孔印冯s志發(fā)表了一篇優(yōu)秀文章，總結(jié)了這個故事和它的戲劇性。
這個問題主要受限于測量物體距離的難度?？茖W(xué)家通常依賴于已知亮度的物體，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)燭光，觀測越亮，證明物體越近，反之越暗就越遠(yuǎn)。作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的天體包括某些超新星以及閃爍速率取決于亮度的恒星。科學(xué)家還可以依賴所謂的標(biāo)準(zhǔn)尺——大小已知、距離可以根據(jù)其在天空中顯示的大小來計算的物體——來測量星體距離。
杰解釋說，名為HoLiCOW的測量哈勃常數(shù)的團(tuán)隊，曾使用一種標(biāo)尺方法來確定距離，現(xiàn)在這個方法已經(jīng)改進(jìn)，不再那么依賴于人類的假設(shè)。這種方法通過計算一個遙遠(yuǎn)物體的半徑(稱為引力透鏡)，將其作為標(biāo)尺；根據(jù)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的論文，這個標(biāo)尺可以提供到作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的超新星的精確絕對距離。
在觀察像星系這樣的大質(zhì)量物體時，會看到其后有很多明亮物體的圖像，因為它巨大的引力會像透鏡一樣扭曲光(因此得名“引力透鏡”)。有時背景中的物體甚至?xí)で梢粋€圓環(huán)。如果一個背景物體在閃爍，那么圖像上它可能會在不同的時間閃爍，這取決于彎曲光的傳播距離?？茖W(xué)家還可以測量在這些遙遠(yuǎn)星系中運行的恒星的速度，從而得到該星系的引力勢和質(zhì)量。結(jié)合這些信息可以計算出到透鏡星系的距離和星系大小。
然后，研究人員可以使用透鏡星系作為標(biāo)準(zhǔn)尺和校準(zhǔn)器來計算到某些超新星的絕對距離(這些超新星通常用來確定哈勃常數(shù))。這種計算常數(shù)的方法能夠更少地依賴人類對事物的假設(shè)，比如宇宙中存在多少暗物質(zhì)和暗能量這類問題。
根據(jù)他們的新方法，研究人員僅基于兩個物體就計算出了宇宙膨脹值。他們得出了一個非常高的值，82.4千米每秒每百萬秒差距，但是統(tǒng)計誤差太大了，還不可信，這個研究只是一個試點。
亞當(dāng)·瑞斯，約翰霍普金斯大學(xué)的天文學(xué)家，也是哈勃常數(shù)測量小組SHoES的領(lǐng)導(dǎo)，在電子郵件中告訴Gizmodo網(wǎng)站，這個結(jié)果并不是決定性的，但“很高興看到人們在尋找替代方法，就像這個項目”。
昆士蘭大學(xué)的澳大利亞天體物理學(xué)家塔瑪拉·戴維斯在《科學(xué)》雜志的附帶評論中寫道，消除對人類假設(shè)的依賴“在試圖弄清楚不同技術(shù)之間產(chǎn)生差異的根源時很重要”。
測定哈勃常數(shù)有很多不同的方法，可以使用標(biāo)準(zhǔn)燭光和標(biāo)準(zhǔn)尺，甚至是使用碰撞的中子星(實際上還需要檢測更多碰撞的中子星，才能使這種方法起作用)。
杰告訴Gizmodo網(wǎng)站, HoLiCOW團(tuán)隊計劃盡快減少他們的實驗誤差，并通過測量更多的透鏡和透鏡星系內(nèi)的恒星運動來確定到恒星的距離。
對物理學(xué)家來說，對哈勃常數(shù)的討論一直具有重要意義，因為它代表了目前最成功的宇宙理論中不完善的地方——也是一個需要新想法和新實驗來揭示宇宙運行規(guī)律的地方。
作者: Ryan F. Mandelbaum
FY: Kylin
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