三个十年的太空望远镜观测收敛于哈勃常数的精确值

这组来自美国宇航局哈勃太空望远镜的 36 幅图像的特征是星系,这些星系都是造父变星和超新星的宿主。 这两种天体现象都是天文学家用来确定天文距离的重要工具,并已被用于改进我们对哈勃常数(宇宙膨胀率)的测量。 这张照片中显示的星系(从上排,从左到下排,右)是:NGC 7541、NGC 3021、NGC 5643、NGC 3254、NGC 3147、NGC 105、NGC 2608、NGC 3583、NGC 3147、Mrk 1337、 NGC 5861、NGC 2525、NGC 1015、UGC 9391、NGC 691、NGC 7678、NGC 2442、NGC 5468、NGC 5917、NGC 4639、NGC 3972、触角星系、NGC 5584、M106、NGC 7250、728 NGC 3370、NGC 、NGC 4424、NGC 1559、NGC 3982、NGC 1448、NGC 4680、M101、NGC 1365、NGC 7329 和 NGC 3447。图片来源:NASA、ESA、Adam G. Riess (STScI、JHU)

完成了近 30 年的马拉松,美国宇航局的哈勃太空望远镜校准了 40 多个空间和时间的“里程碑标记”,以帮助科学家精确测量宇宙的膨胀率——这是一个情节曲折的探索。

天文学家 Edwin P. Hubble 和 Georges Lemaître 于 1920 年代开始对宇宙膨胀率的探索。 1998 年,这导致了“暗能量”的发现,这是一种加速宇宙膨胀的神秘排斥力。 近年来,由于哈勃和其他望远镜的数据,天文学家发现了另一个转折点:在局部宇宙中测量的膨胀率与大爆炸后的独立观测结果之间存在差异,后者预测了不同的膨胀值。

这种差异的原因仍然是个谜。 但是哈勃的数据,包括作为距离标记的各种宇宙物体,支持了一些奇怪的事情正在发生的想法,可能涉及全新的物理学。

太空望远镜科学研究所 (STScI) 和马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学的诺贝尔奖获得者亚当里斯说:“你正在从望远镜和宇宙英里标记的黄金标准中获得对宇宙膨胀率的最精确测量。” .

Riess 领导了一项研究宇宙膨胀率的科学合作项目,名为 SHOES,它代表超新星,H0,即暗能量状态方程。 “这就是哈勃太空望远镜的目的,使用我们所知道的最好的技术来做到这一点。这可能是哈勃的代表作,因为哈勃的生命需要再过 30 年才能使这个样本量增加一倍,”里斯说.

里斯团队的论文将发表在《天体物理学杂志》的特别焦点刊上,报告完成了对哈勃常数的最大和可能最后一次重大更新。 新结果是先前宇宙距离标记样本的两倍多。 他的团队还重新分析了所有先前的数据,整个数据集现在包括 1,000 多个哈勃轨道。

当 NASA 在 1970 年代构思大型太空望远镜时,花费和非凡技术努力的主要理由之一是能够解析造父变星,在我们的银河系和外部星系中看到的周期性变亮和变暗的恒星。 自 1912 年天文学家 Henrietta Swan Leavitt 发现造父变星以来,它们一直是宇宙英里标记的黄金标准。为了计算更远的距离,天文学家使用称为 Ia 型超新星的爆炸恒星。

结合起来,这些物体在宇宙中建立了一个“宇宙距离阶梯”,对于测量宇宙的膨胀率至关重要,在埃德温·哈勃之后被称为哈勃常数。 该值对于估计宇宙的年龄至关重要,并为我们对宇宙的理解提供了基本测试。

从 1990 年哈勃发射后开始,第一组造父变星观测以改进哈勃常数由两个团队进行:由温迪·弗里德曼、罗伯特·肯尼库特和杰里米·莫尔德领导的 HST 关键项目,以及由艾伦·桑德奇和另一个由艾伦·桑德奇领导的 HST 关键项目。合作者,他们使用造父变星作为里程碑标记来改进与附近星系的距离测量。 到 2000 年代初,这些团队通过达到 10% 的哈勃常数精度,即每兆秒差距每秒 72 正负 8 公里,宣布“任务完成”。

在 2005 年和 2009 年,哈勃望远镜上增加了强大的新相机,启动了哈勃常数研究的“第 2 代”,因为团队着手将值改进到仅 1% 的准确度。 这是由 SHOES 计划启动的。 包括 SHOES 在内的几个使用哈勃望远镜的天文学家团队已经将哈勃常数值收敛到 73 正负 1 公里每秒每兆秒差距。 虽然已经使用其他方法来研究哈勃常数问题,但不同的团队已经提出了值 close 到同一个号码。

SHOES团队包括长期领导者约翰霍普金斯大学袁文龙博士、德州农工大学Lucas Macri博士、STScI的Stefano Casertano博士和杜克大学的Dan Scolnic博士。 该项目旨在通过匹配从研究宇宙黎明时遗留下来的宇宙微波背景辐射推断出的哈勃常数的精度来包围宇宙。

“哈勃常数是一个非常特殊的数字。它可以用来从过去穿到现在,对我们对宇宙的理解进行端到端的测试。这需要大量的详细工作,”说ICREA 和 ICC-巴塞罗那大学的宇宙学家 Licia Verde 博士谈到了 SHOES 团队的工作。

该团队用哈勃测量了 42 个超新星里程碑标记。 因为人们看到它们以每年大约一次的速度爆炸,所以哈勃望远镜已经记录了尽可能多的超新星来测量宇宙的膨胀。 里斯说:“我们拥有哈勃望远镜在过去 40 年中观测到的所有超新星的完整样本。” 就像百老汇音乐剧俄克拉荷马州的歌曲“堪萨斯城”的歌词一样,哈勃已经“尽其所能!”

奇怪的物理学?

据预测,宇宙的膨胀速度比哈勃实际看到的要慢。 通过结合宇宙标准宇宙模型和欧洲航天局普朗克任务的测量结果(该任务观测到 138 亿年前的遗迹宇宙微波背景),天文学家预测哈勃常数的值较低:67.5 正负 0.5 公里/每百万秒差距秒,而 SHOES 团队估计为 73 秒。

Riess 说,鉴于哈勃望远镜的样本量很大,天文学家由于不幸的抽签而出错的几率只有百万分之一,这是物理学中认真对待问题的常见门槛。 这一发现正在解开正在成为宇宙动态演化的漂亮而整洁的画面。 天文学家无法解释局部宇宙与原始宇宙的膨胀率之间的脱节,但答案可能涉及宇宙的其他物理学。

这些令人困惑的发现让像里斯这样的宇宙学家的生活更加令人兴奋。 三十年前,他们开始测量哈勃常数来衡量宇宙,但现在它变得更加有趣。 “实际上,我并不关心膨胀值具体是什么,但我喜欢用它来了解宇宙,”里斯补充道。

美国宇航局的新韦伯太空望远镜将扩展哈勃的工作,以比哈勃所能看到的更远或更清晰的分辨率显示这些宇宙里程碑标记。