原創(chuàng) 天文在線 天文在線 2022-06-19 22:53 發(fā)表于云南
膨脹的宇宙，究竟以何種速度變大，仍待探索
要么是宇宙舉止滑稽，要么是我們用錯誤的方式觀測了宇宙——我們的宇宙出問題了。也有可能是我們觀測宇宙的方式錯了。換句話說，事情有些不對勁。
簡而言之，宇宙一直在膨脹。我們也有眾多的方法來監(jiān)測宇宙擴張。好消息是所有方法測得的膨脹系數是大體一致的，但壞消息是這些數值互不相等。一組方式測得同一個數值，換另一組方法則得到另一個數值。
這種差異出現已有一段時間了，并且一直沒有消失。事實上，狀況正變得更糟。天文學家喜歡這樣描述：各種方式劍拔弩張，氣氛緊張極了。兩種測量路徑之間最大的差異在于，一種著眼于宇宙中較近的物體間的關系，另一種則側重較遠物體間的關系。要么是我們算錯了什么，要么是遠距離和近距離宇宙性質不同。
據最近新發(fā)表的一篇論文，作者使用了一種巧妙的方法來測量附近星系的膨脹。論文的發(fā)現和其他注重“鄰近物體”方法的結果不謀而合。這可能對于進一步認識宇宙有幫助也可能沒有。
好的，現在讓我們回顧一下，早在100年前，人們就知道宇宙在膨脹，觀測到星系在向遠離我們的方向移動，并且離得越遠的星系移動速度越快。據我們所知，星系到地球間的距離于其遠離地球的速度有緊密的聯系。比如說，一個1百萬秒差距*（縮寫是Mpc）外的星系以每秒70公里的速度離開地球，那么2百萬秒差距外的星系就是以兩倍的速度（140千米/秒）遠離。
這個函數關系似乎適用于超長距離的物理測量，所以我們以埃德溫·哈勃的名字命名為哈勃常數，或H0（讀作“H naught”），因為哈勃是最早提出這個關系的人之一。它是以千米每秒每百萬秒差距（或每固定距離的速度—越遠移動速度越快）這樣一個奇怪單位來測量。
測量近距離物體如鄰近星系的恒星或爆發(fā)星時，相關的方法會使H0為每秒73千米/百萬秒差距。但是用更遙遠的如宇宙微波背景和重子聲學振蕩，測得的H0數字更小，是每秒68千米/百萬秒差距。鑒于這兩種方式內部邏輯都是一樣，而這兩個數字很接近，但不一樣，問題就出現了：這是怎么一回事？
新發(fā)表的論文使用了一種稱為表面亮度波動的冷卻方法。名字花哨實際上卻直觀地說明了方法。想象一下，你正站在森林的邊緣，面前正對一棵樹。視野里只看到了這一顆樹，因為你離得非常近。只要往后退幾步，就能看到更多的樹，再退后幾步，入眼即是森林。
觀察星系也一樣，用望遠鏡觀測鄰近的星系，在給定的分辨率下，你可能看到10顆恒星，全部都模糊成單個的像素，在另一分辨率下可能看到15顆恒星（較之前亮50％），另外一種可能只有5顆恒星（亮度只有第一個的一半）。
現在我們從兩倍的距離去觀察一個一模一樣的星系，一種分辨率下可以看到20顆恒星，在其他的分辨率下可以觀測到27顆或13顆（相差約35％）。10倍距離外可以看到120、105、和90（相差約10％）--請注意，為了簡化模型舉例，這里的數字僅作示例。關鍵是，星系越遠，亮度分布越平滑（像素相互之間的差異與每個像素的總和相比變小）。不僅如此，像素也可以更加平滑地被測量和分配數字。
▼橢圓星系IC 2006，距離地球約6500萬光年。圖片來源：歐空局/哈勃和美國宇航局 致謝：朱迪·施密和J。布雷克斯利（自治領天體物理天文臺）。請注意，該圖像與科學放大版本無關 。
▲橢圓星系IC 2006，距離地球約6500萬光年。圖片來源：歐空局/哈勃和美國宇航局 致謝：朱迪·施密和J。布雷克斯利（自治領天體物理天文臺）?？茖W認證：M?？_洛（蘇黎世聯邦理工學院，瑞士）
實際上的觀測比距離更加復雜，如果一個星系忙于在一個區(qū)域生成恒星，那么觀測出的恒星數量就會增加。所以最好來觀測橢圓星系，它們已經有十億年沒有產生新的恒星了。被觀測的星系需要離我們足夠近，這樣才能獲得足夠的數據。因此這限制了觀測距我們三億光年外甚至更近的星系，此外還要考慮塵埃，圖像中的背景星系，恒星團以及更多的恒星如何朝向星系中心等等。
但以上這些影響都是已知的，并且相當容易糾正。當完成所有這些工作時，他們測得H0為73.3千米每秒每百萬秒差距（誤差為±2千米每秒每百萬秒差距），與同路徑近距離測量的其他方法一致，并且與使用遠距離方法的其他組非常不同。
在某種程度上，上述數據不同是意料之中的。但這再次證實了我們在測量時錯過了一些重要的東西。所有方法都有其問題，但它們的不確定性相當小。要么真的是我們低估了這些不確定性（這極不可能，雖然不確定性總是會有），要么宇宙并不是按照我們預料的方式在運行。如果硬要我給個說法的話，我想后一個猜測更有可能。
為什么？因為難以捉摸的宇宙就曾證明我們錯了。自1990年代以來，我們知道擴張已經偏離了常態(tài)。天文學家發(fā)現，非常遙遠的爆炸恒星總是比簡單的測量顯示得更遠。因此他們認為宇宙現在膨脹得比以前更快，而這又可推導出暗物質的存在------一種加速宇宙膨脹的神秘實體。
▲阿塔卡馬宇宙望遠鏡對早期宇宙進行大規(guī)模調查的一部分，此結果顯示了大爆炸留下的輻射的微小溫度波動，這些變化最終形成了星系，恒星和你。圖源：阿塔卡馬宇宙望遠鏡合作項目。
觀察非常遙遠的物體，我們能看到的只是它們的過去，彼時宇宙還很年輕。如果宇宙的膨脹率在當時（比如120億-138億年前）與現在（不到10億年前）不同，我們可以得到H0的兩個不同的值。或者，宇宙的不同部分正在以不同的速度膨脹。
如果擴張速度發(fā)生了變化，那將產生深遠的影響。這意味著宇宙的年齡不再是我們過一味的那樣（我們使用膨脹率來回溯年齡），這意味著宇宙的大小不同了，這意味著事情發(fā)生所需的時間是不同的。這意味著在早期宇宙中發(fā)生的物理過程其實發(fā)生在不同的時間，也許還包括其他影響膨脹率的物理過程。
是的，所有都是一團糟。要么是我們不太懂宇宙的運行規(guī)律，要么是我們測量錯了。無論哪種方式，都只會帶來痛苦，更難過的是我們也不知道到底錯在哪里。這篇新論文證明了兩種測量方式的差異確實存在，宇宙才是這些差異的罪魁禍首。但現在不是一錘定音的時候。我們需要繼續(xù)探索研究，不斷降低不確定性，不斷嘗試新的方法，希望在某個時刻我們有足夠的數據來指出一些東西并說，“啊哈！“
當這種情況發(fā)生時，那將會是有趣的一天，我們對宇宙的理解會邁出一大步，然后宇宙學家會在新的領域繼續(xù)探索討論。必定會有新的分歧供他們爭論，這個宇宙很宏大，有很多值得研究的地方。
*秒差距是長度單位，等于3.26光年（或1/12凱塞爾）。確實，這是一個很奇怪的單位，但它有巨大的歷史意義，并且和很多測量距離的方式緊密聯系。天文學家觀測星系的時候喜歡用百萬秒差距這個距離單位，其中1百萬秒差距是326萬光年，比我們和仙女座星系的距離還要長點。
我們都知道宇宙一直在膨脹?？茖W家有很多不同的方法來衡量這種膨脹。好消息是這些方法得到的數量大致相同。壞消息是他們沒有得到完全相同的數字。一組方法獲得一個數字，另一組方法獲得另一個數字。這種差異已經存在一段時間了，而且沒有好轉。
BY: Phil Plait
FY: 書燈下的樹
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選文：天文志愿文章組-長庚先生
翻譯：天文志愿文章組-書燈下的樹
審核：天文志愿文章組-
終審：天文志愿文章組-零度星系
排版：天文志愿文章組-楊宜修
美觀：天文志愿文章組-
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3.原文來自：https://www.syfy.com/syfywire/the-universe-is-acting-funny-or-were-looking-at-it-wrong
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