這個數字關乎宇宙的最終命運,現在它有了第三種答案
2019年07月28日10:07
紅巨星讓物理學家測出了全新的哈勃常數(圖片來源:Credit: NASA/ESA/SPL)
紅巨星讓物理學家測出了全新的哈勃常數(圖片來源:Credit: NASA/ESA/SPL)

  來源:環球科學

  本就撲朔迷離的哈勃常數之爭,現在又有了新的答案。最近,美國芝加哥大學天文學家溫迪·弗里德曼(Wendy L。 Freedman)領導的研究團隊創造性地給出了一種測量哈勃常數的新方法——使用紅巨星作為“標準燭光”,得出了新的哈勃常數69.8km/s/Mpc,其值介於之前測得的兩個哈勃常數之間。這個關於宇宙年齡與未來命運的關鍵數字,究竟有多大?

  哈勃常數

  宇宙是在膨脹的,這差不多已經成為眾所周知的常識。宇宙的膨脹速度並不是均勻不變的,宇宙這個老司機彷彿是在山路上開車,它的行程有上坡階段與下坡階段,所以其膨脹的加速度是變化的——宇宙一開始是減速膨脹的,大約在距今50億年前,宇宙開始了加速膨脹。

  描述宇宙膨脹速度快慢的參數,被稱為哈勃參數。這個參數不是一個常數,它是一個關於時間的函數H(t)。哈勃參數在t=0的取值就是哈勃常數H(0)。t=0就是現在這個時刻,也是人類出現的時刻(相對於宇宙壽命來說,人類的歷史只是一個瞬間)。

  哈勃常數一開始由美國天文學家哈勃引進。1929年,哈勃成為首個證實宇宙膨脹的人,他通過天文觀測發現河外星系都在遠離銀河系。同時,哈勃有了一個驚人的發現:大多數星系都在遠離銀河系,而且距離銀河系越遠的星系,其離開銀河系的後退速度也越快。這些星系遠離銀河系的速度和星系與銀河系的距離之比值大致恒定,這一比值被稱為哈勃常數。

哈勃(圖片來源:百度百科)
哈勃(圖片來源:百度百科)

  74與67.8

  哈勃常數刻畫的是現在宇宙的膨脹,精確測定哈勃常數就成了一個很重要的物理問題——就好像精確測定光速或者普朗克常數一樣,精確測量這個常數可以把物理學做得更完美。但是,對哈勃常數的測量還沒有像對光速與普朗克常數的測量那樣準確。而且,頗為尷尬的是,科學家居然測出了兩個哈勃常數,而且彼此的差距在10%左右。10%的不確定性對一個物理學常數來說,真的有點太大了。

  要測量哈勃常數,我們需要先瞭解這個物理量的量綱(單位)。哈勃常數的單位是km/s/Mpc。在這裏km/s是速度單位,刻畫星系退行(即遠離銀河系的)速度;而Mpc(百萬秒差距)是長度單位,刻畫的是退行星系距離銀河系的距離,1秒差距等於31萬億千米,一百萬秒差距大約是326萬光年。

宇宙測距概念圖(圖片來源:NASA/JPL-Caltech)
宇宙測距概念圖(圖片來源:NASA/JPL-Caltech)

  第一個哈勃常數是由諾貝爾獎獲得者亞當·里斯領導的研究組,通過IA型超新星(一種由雙星系統形成的超新星)與造父變星(一種光度和脈動週期直接關聯的變星)測出來的,數值是74km/s/Mpc。

  IA型超新星亮度非常固定,而造父變星的亮度是週期性變化的,這些規律的存在使得它們可以成為宇宙中的“標準光源”——就好像大海中的燈塔一樣,可以定出燈塔到船隻的距離。而再根據測量到的IA型超新星與造父變星的光譜的紅移,即可以定出它們的退行速度。這樣就可以算出哈勃常數了。

  第二個哈勃常數是由測量宇宙微波背景輻射的普朗克衛星測算出來的,數值是67.8km/s/Mpc。

  這種方法測量的是宇宙微波背景輻射中的重子聲波振盪的大小。其主要測量思想是:在宇宙微波背景輻射形成之前,宇宙處於等離子狀態,那時候的聲速大約是光速的三分之一。但是,在宇宙微波背景輻射形成的時候,宇宙的物質狀態發生了變化(不再是一個等離子體),這個時候聲速突然降至接近於零。於是,之前的聲速乘上宇宙大爆炸到宇宙微波背景輻射產生的時間,這個距離就是一個定值——147Mpc。而宇宙微波背景輻射出現時的紅移是1100。根據這些數據,再代入冷暗物質宇宙學模型,就可以算出哈勃常數。

  新的標準光源

  這次,溫迪·弗里德曼等人使用了新的方法來測定哈勃常數。這個方法測出來的哈勃常數是69.8km/s/Mpc,正好介於兩個老的哈勃常數之間。那麼,他們是用什麼新方法測定的哈勃常數呢?答案是紅巨星。

  我們知道,測量哈勃常數,需要知道兩個關鍵數據:星系與地球之間的距離,以及星系相對於地球的退行(遠離)速度。

  通過紅巨星的亮度,可以測出紅巨星距離地球的距離,也就知道了這個紅巨星所在的星系距離地球的距離。紅巨星是恒星的老年期,一般情況下這個時候的恒星燃燒到後期會膨脹變大,而且溫度降低。因為體積變大,所以從地球上看起來極為明亮。

  上海交通大學物理與天文學院博士後張佳駿告訴《環球科學》記者:“紅巨星形成之前,晚年的恒星內部的氦核處於簡並態,就好像白矮星中電子處於簡並態那樣。白矮星到達1.44倍太陽質量時,發生超新星爆發形成IA型超新星,亮度是恒定的。而恒星內部氦核達到大約太陽質量的一半時發生氦閃,其亮度也是大致恒定的(亮度基本都是-4),可以作為標準光源。”

  換句話說,作為標準光源的這批紅巨星的亮度是最亮的,而且它們的亮度是基本恒定的,那麼它距離地球越遠,其亮度就隨著距離的平方變小——所以根據在地球上測定的紅巨星的亮度,就可以知道它離地球多遠了。而至於紅巨星的退行速度,則可以通過地球上測量到的譜線的紅移就可以算出來。

  弗里德曼團隊通過分析來自哈勃天空望遠鏡的18個紅巨星的數據,重新計算出了新的哈勃常數69.8km/s/Mpc。

  這項研究發表在預印本網站,目前已被《天體物理學》雜誌接收。

哈勃太空望遠鏡(圖片來源:pixabay)
哈勃太空望遠鏡(圖片來源:pixabay)

  弗里德曼團隊分析的紅巨星的數據只有18個,數據量還不夠多。隨著數據量的積累,這項分析技術的精確度將變得更高,到那個時候,紅巨星分析方法可能將成為計算哈勃常數的重要手段。

  隨著哈勃常數的測量越來越精確,天文學家可以排除一些錯誤的宇宙學理論——目前關於暗物質的理論層出不窮,隨著哈勃常數被精確測定,這些理論有很多都會被淘汰。同時我們知道,哈勃常數的倒數與宇宙的年齡有關——哈勃常數越大,宇宙的年齡就越小。所以,測量哈勃常數,其實等價於在測量宇宙的年齡。最後,哈勃常數的精確確定,相當於定出了整個宇宙學模型的關鍵部分,從而可以讓我們更好理解宇宙的未來命運走向。

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