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寻找测量宇宙大小的“尺子”(图)

2012年10月10日 07:53
来源:中国科技网

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?正在轨道上工作的斯皮策望远镜艺术示意图

?正在轨道上工作的斯皮策望远镜艺术示意图

■将新闻进行到底

据新华社报道,美国航天局3日宣布,依据该局斯皮策太空望远镜观测结果,美国天文学家发布了号称迄今最精确的哈勃常数。

卡内基科学学会天文台天文学家温迪·弗里德曼等人在美国期刊《天体物理学杂志》上报告说,他们根据观测结果推算,哈勃常数为74.3加减2.1公里/(秒·百万秒差距),即一个星系与地球的距离每增加百万秒差距,其远离地球的速度每秒就增加74.3加减2.1公里。这一数据将宇宙膨胀率的不确定性降低到3%,从宇宙测量角度而言,算得上精度的巨大飞跃。据天文学家们介绍,这是有关宇宙膨胀速度迄今最为精确的测量值。

这个发现堪称是一项了不起的飞跃,因为这对于确定宇宙的年龄和大小十分关键。事实上,早在上世纪90年代末,天文学家们惊骇地发现我们所处的宇宙事实上正处于加速膨胀之中。宇宙膨胀的速度到底是多少?它该如何保持平衡?测量宇宙大小的“尺子”究竟在哪里?这些问题成为了天文学家们关注的“巨大的谜团”。

—————— 为什么要确定宇宙膨胀速度 ——————

对理解宇宙的年龄和大小很重要

百万秒差距是度量天体距离的单位,约为326万光年,主要用于太阳系以外。哈勃常数代表的是银河系以外星系退行速度与距离的比值,也就是宇宙膨胀率。

哈勃常数以美国天文学家埃德温·哈勃命名,后者曾于上世纪20年代证实,宇宙自137亿年前诞生以来一直在膨胀。上世纪90年代,天文学家发现宇宙膨胀在加速。确定宇宙膨胀速率对理解宇宙的年龄和大小至关重要,近年来有关哈勃常数的推算误差率在逐渐减小。

根据目前主流的科学认识,科学家们认为宇宙是在大约137亿年前的一次大爆炸中诞生的,而既然是一次剧烈的膨胀过程,那么测算出其膨胀的速度将是至关重要的,这一数值就被称为“哈勃常数”,一般在物理学中都会用大写的H来表示,这一数值对于确定宇宙的年龄和大小将是极端关键的。

对于我们普通人来说,遥望星空,或是对着天文望远镜拍摄出来的绚烂照片发呆,是件再普通不过的事情。但当我们望着这些遥远的星系,可能没有意识到自己正在遥望遥远的过去。用浪漫一点的词儿来说,我们所看到的这些星系都是它们当年的样子,也就是我们看到了130亿年前的它们,那几乎是时间的尽头。如果你用距离空间的描述来讲,那些星系离开我们的距离是300亿光年。

事实上,宇宙处于不断的膨胀之中,但与此同时科学家们对于宇宙尺度的测量精度也在不断提高。上文中提到的该项研究的第一作者,弗里德曼表示:“仅仅在10年之前,要想在同一句子中使用‘精确’和‘宇宙学’两个单词都是不可想象的,那时候我们对宇宙的尺寸和年龄的认知都非常模糊,误差在两个数量级以上。”不过她说:“但是我们现在所谈论的已经是几个百分比的精确性了,这真是令人难以置信。”

—————— 如何获取测量宇宙大小的“尺子” ——————

挑选造父变星 在红外波段进行观察

据英国《每日邮报》报道,斯皮策空间望远镜工作在波长较长的红外波段,而不是可见光波段。其最新的测量数据将此前由哈勃空间望远镜进行的一项类似观测的精确度提升了3个数量级,将该数值的不确定性范围降低至3%以内,这是对于宇宙学测量领域的一次重大飞越。天文学家们表示,本次最新精确化的这一数值是74.3±2.1 (km/s)/Mpc,其中1百万秒差距约相当于300万光年。

此前,哈勃空间望远镜是在可见光波段进行观测。由于斯皮策空间望远镜所观测的波段是在红外波段,因此可以将哈勃的结果向前推进一步。相比哈勃,斯皮策望远镜的视野可以穿透尘埃和气体云,更好地对一类被称作“造父变星”的恒星进行观测。

事实上,这类变星是一种脉动变星,由于它们的亮度和光变周期之间具有明显的特点,它们常常被天文学家们用作量天尺:只要找到距离已知的这类变星,然后观察它们离开我们的速度,我们便可以测量出宇宙的膨胀速度。造父变星之所以可以当做量天尺来使用,是因为它们到地球之间的距离是可以直接测量的。这一类被称作造父变星的恒星,其亮度和光变周期之间存在严格的相关。

这种性质的重要性可以用这样一个场景来形容:一个人正逐渐离你远去,他的手上拿着一根蜡烛。随着这个人渐行渐远,他手上的蜡烛烛光也会随之变暗。只要我们直接测量烛光的亮度,就可以得到蜡烛到我们所在地的距离远近。对于宇宙中的造父变星情况也是一样的,它们被誉为宇宙中的“标准烛光”。只要测量它们在天空中的亮度,天文学家们就能测算出它们的距离。

斯皮策望远镜在银河系中挑选出10颗,并在邻近的大麦哲伦星系中挑选出80颗造父变星进行观测。通过这些观测,研究小组得以以更高的精度测量出它们的亮度,并以此计算出它们的实际距离,借此改进先前对这一课题研究所作出的测量值。有了这些数据,天文学家们便可以更进一步,沿着宇宙度量尺的阶梯往上迈出一步,去估算整个宇宙的膨胀速度。

—————— 是什么让宇宙加速膨胀 ——————

暗能量起到主导作用

自上世纪末,宇宙持续加速膨胀之谜就一直困扰着科学界。到底是什么给了宇宙一种相反之力,使其能够消减将银河系凝聚在一起的引力呢?据英国广播公司BBC报道,一个国际研究团队对宇宙历史关键变革时期进行了新的阐释,通过测量1万多个星系的精确距离,探测到60亿年前暗能量是影响宇宙加速膨胀的主要驱动力。而且,相关研究发现与爱因斯坦的广义相对论和宇宙常数理论完全一致。

宇宙中充满了物质和暗物质——它们都具有质量,因此也都具有引力。在这些引力的作用下宇宙即便处于膨胀之中,也应该会逐渐减速或者至少保持平衡但是绝不应该会加速膨胀。人们将这种神秘而强大力量称为“暗能量”。在天体物理学中,暗能量是一种充斥宇宙空间并增加宇宙膨胀速度的难以觉察的能量形式。暗能量假说在当今对宇宙加速膨胀观察结果多种解释中最为人们所接受。在宇宙的标准模型中,暗能量占有宇宙总质能的73%。

在今年召开的英国国家天文学会议上,承担国际重子振荡光谱巡天(BOSS)普查部分研究的成员之一、朴茨茅斯大学教授威尔·珀西瓦尔说:“我们所做的是要测量25万多个星系的三维位置,这是有史以来对宇宙最大范围的普查,以分析、尝试了解宇宙如何膨胀及为什么会加速的。”现在已测量1万多个星系的精确距离,探测到60亿年前暗物质在推动宇宙加速膨胀中起到了主导地位,相形之下引力退居次位。

该研究主要采用两种技术了解宇宙的加速膨胀。一种被称为重子声学振荡,通过测量振荡波在宇宙大尺度结构上形成的高密区,来发现暗能量在其中所起的作用。大尺度结构上的宇宙如同一张纤细而留有空隙的网,星系团则是最密集的突起结构,由于其具有循环规律性,因此科学家可以通过精确测量星系对之间的角度推出其距离。而由于光速恒定,了解到观测对象的距离也就知道其年龄。

另一项技术涉及到“红移空间扭曲”。红移是指物体电磁辐射由于某种原因波长增加的现象,在可见光波段,表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离。目前天文领域多将此现象用于天体移动及规律的预测。宇宙加速膨胀可由被观测天体的红移值来衡量,当地球所接收到的遥远天体光谱向红光方向移动时,就说明它在远离我们。由于红移与距离成正比,便给科学家提供了一个测量宇宙的标准。(记者 姜晨怡 综合整理)

■延伸阅读

婴儿期的宇宙什么样

英国每日邮报报道,近日研究学者发现了一种新方法,能够检测到更早期的宇宙。我们认为宇宙年龄约为140亿年——以色列特拉维夫大学的天体物理学家们称他们发现了一种新方法,能够了解宇宙存在前1.8亿年前的情景。

目前的天文望远镜只能观测到年龄在7亿年的星系,其他的只能利用哈勃太空望远镜窥探,即便如此,哈勃望远镜也只能观测到因巨大事件诸如恒星爆炸产生的异常巨大星系。特拉维夫大学的研究小组带领的国际科学家小组已经研发出一种方法,可以探测到宇宙处于婴儿期时形成的恒星星系。

这项研究发表在科学期刊《自然》上。研究小组利用射电望远镜找寻氢原子发射出的无线电波,而在宇宙早期氢原子非常普遍。据参与研究的巴卡纳(Barkana)教授称,科研小组测量到的无线电波大约8英寸(21厘米)长,这些原子反射恒星的辐射,使得它们可以被射电望远镜探测到。这些无线电波在天空中呈现出一种特殊的样式,这是早期星系的清晰信号,它大约是现在星系大小的百万分之一。

宇宙早期中的暗物质和气体运动产生的差异将会影响恒星的形成,这种差异还会产生一种特定的振荡模式,使得科学家能够将它们从明亮的当今宇宙产生的无线电波中区分出来。

早期宇宙产生的无线电波的密度取决于气体的温度,这使得科学家能够拼凑出一片天空的星系地图。如果气体非常炙热,这意味着该地区存在很多恒星;如果温度相对冷却,则表明存在恒星数量较少。

巴卡纳教授表示,探索早期宇宙神秘起源的初步工作将让射电天文学家们首次重建早期宇宙的情景,尤其是恒星和星系的分布情况。这类天文学研究领域现在被称为“21厘米宇宙学”,正作为一门新科学逐渐发展起来。

目前五个不同的国际合作小组正在建造射电望远镜探测这种辐射,目前他们的关注于大爆炸后5亿年的时段。这种设备还能用于检测早期纪元释放的信号。(严炎 刘星)

《科技日报》(2012-10-10 七版)

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[责任编辑:杜苗] 标签:宇宙 尺子 哈勃
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