宇宙膨胀的速度有多快?新的哈勃常数测量突出了对我们宇宙命运的估计之间的差异

宇宙扩展艺术家的概念

宇宙扩张有多快?星系提供一个答案。

确定宇宙正在扩展的速度是多么了解我们的宇宙命运的关键,但通过更精确的数据来说是一个难题:基于我们当地宇宙中的测量的估计不同意从时代后的推销大爆炸138亿年前。

新估计局部扩张率 - 霍布尔常数,或H0(H0) - 加强这种差异。

使用一个相对较新的和潜在的更精确的技术来测量宇宙的距离,有一般的巨型椭圆星系内恒星亮度距离阶梯响,天文学家计算出速度- 73.3公里每秒每百万秒差距,误差2.5公里/秒/ Mpc -位于中间的其他三个好估计,包括来自Ia型超新星的黄金标准的估计。这意味着每隔百万秒差距(330万光年,或30万亿公里),宇宙就会以每秒73.3±2.5公里的速度膨胀。其他三种技术的平均速度为73.5±1.4公里/秒/Mpc。

令人困惑的是,基于宇宙微波背景的测量波动的本地扩张率的估计,并且独立地,早期宇宙中正常数密度的波动(Baryon声学振荡),给出了一个非常不同的答案:67.4±0.5 km / sec/ MPC。

天文学家们担心这种不匹配,是可以理解的,因为膨胀率是一个关键参数在理解宇宙的物理学和演化,是理解暗能量——关键加速宇宙的膨胀率,从而使哈勃常数变化比预期更快地与地球距离增加。暗能量约占宇宙质量和能量的三分之二,但仍然是一个谜。

星系NGC 1453

NGC 1453,一个巨大的椭圆星系,位于波江座,是63个用来计算本宇宙膨胀率的星系之一。去年,庞大的调查小组确定,该星系距离地球1.66亿光年,在其中心有一个黑洞,质量接近太阳的30亿倍。图片来源:卡内基-欧文星系调查

对于新的估计,天文学家测量了63个巨大椭圆星系的表面亮度的波动,以确定每个以获得H0的速度的距离和绘制距离。表面亮度波动(SBF)技术与其他技术无关,并且具有比其他100 MPC内的其他方法更精确的距离估计,或3.3亿光年。样品中的63个星系在距离范围为15至99 MPC,回顾宇宙时代的一小部分。

“为了衡量到100万卡乐的距离,这是一种梦幻般的方法,”朱迪钱德勒韦伯教授在物理科学教授加州大学伯克利分校他还是天文学和物理学教授。“为了用SBF方法研究h -零,这是第一篇收集了63个星系的大量同质数据的论文。”

MA引导了对当地星系的大规模调查,为新分析中使用的三分之二提供了43家的数据。

美国国家科学基金会诺伊实验室的天文学家约翰·布莱克斯利收集并分析了这63个星系的数据。他是一篇被接受发表的论文的第一作者天体物理学杂志他共同撰写奥雷姆犹他州大学的同事约瑟夫·詹森。支持支持NSF的光学和红外风景图的科学人员的Blaberlee是使用SBF测量到星系的距离的先驱,而Jensen是第一个应用在红外波长下的方法之一。这两者在分析上与MA密切合作。

“本文的整个故事是,从某种意义上说,了解宇宙的绝对规模,然后才能告诉我们物理学,”布莱克利说,在1769年回到詹姆斯库克的航行到塔希提蒂来衡量过境金星因此,科学家可以计算太阳系的真尺寸。“SBF方法更广泛适用于当地宇宙中的演进星系的一般群体,当然,如果我们获得足够的星系詹姆斯韦伯太空望远镜,这种方法有可能给出哈勃常数的最佳局部测量。“

詹姆斯韦伯太空望远镜,比这更强大的100倍哈勃太空望远镜,定于10月推出。

巨型椭圆星系

几十年来,哈勃常数一直是争论的焦点。自从埃德温·哈勃第一次测量了局部膨胀率,得出了一个大7倍的答案,这意味着宇宙实际上比它最古老的恒星更年轻。无论过去还是现在,问题都在于确定空间中物体的位置,而这些物体几乎无法提供它们离我们有多远的线索。

多年来,天文学家们一直在逐步研究更大的距离,他们从计算距离足够近的物体的距离开始,当地球绕太阳运行时,由于视差的影响,这些物体似乎会轻微移动。被称为造父变星的变星能让你走得更远,因为它们的亮度与变化的周期有关。Ia型超新星能让你走得更远,因为它们是非常强大的爆炸,在其顶峰时,亮度相当于整个星系。无论是造父变星还是Ia型超新星,都可以通过它们随时间变化的方式计算出它们的绝对亮度,然后根据从地球上看到的它们的表观亮度计算出它们的距离。

H0的最佳目前估计来自遥远星系中的IA超新星爆炸的距离,尽管较新的方法 - 遥远的标准的重力透镜引起的时间延迟以及绕行黑洞的水纸浆的亮度 - 所有这些都会给出相同的数字。

使用表面亮度波动的技术是最新的一种,并且依赖于巨型椭圆星系老的事实陈旧,并且具有一致的旧星星人群 - 主要是红色巨星 - 可以建模以在其表面上进行平均红外亮度。研究人员在哈勃空间望远镜上使用宽野相机3获得每个星系的高分辨率红外图像,并确定图像中的每个像素与“平均”不同 - 整个图像上的波动越来越越来越远一旦为明亮的星形地区制造了瑕疵,就纠正了校正,作者从分析中排除了瑕疵。

Blakeslee和Ma都没有惊讶,扩张率靠近其他局部测量的扩张率。但是,与早期宇宙的估计,它们同样混淆 - 许多天文学家认为我们目前的宇宙理论是错误的,或者至少不完整的冲突。

来自早期宇宙的外推基于最简单的宇宙理论 - 叫λ冷暗暗物质,或λcdm - 这只是几个参数来描述宇宙的演变。新的估计是否能够进入λcdm的核心?

“我认为这将推动更多的赌注,”布莱克斯利说。但是λ cdm仍然存在。有些人认为,鉴于所有这些地方性的测量,观察者们是错误的。但是,要做出这样的断言越来越难了——这需要在几个不同的方法(超新星、SBF、引力透镜、水脉泽)的同一方向上存在系统误差。所以,当我们进行更多独立的测量时,风险就会越来越大。”

哈哈奇观的不确定性天文学家是否归因于他们的测量,这反映了系统错误和统计错误,这太乐观,也许仍然可以和解两个估计范围。

“陪审团出来了,”她说。“我认为它真的在错误栏中。但假设每个人的错误栏都没有低估,但紧张局势变得不舒服。“

事实上,该领域的一位巨子,天文学家温迪·弗里德曼最近发表了一项研究,将哈勃常数定在69.8±1.9千米/秒/Mpc,这让情况变得更加混乱。因发现暗能量而获得2011年诺贝尔物理学奖的天文学家亚当·里斯(Adam Riess)的最新结果显示,每秒钟能量为73.2±1.3公里。里斯在加州大学伯克利分校做这项研究时是米勒博士后研究员,他与加州大学伯克利分校和伯克利实验室物理学家索尔·珀尔马特分享了该奖项。

巨大的星系

H0的新值是另外两项对附近星系的调查的副产品——特别是Ma的大规模调查,它使用空间和地面望远镜详尽地研究了距离地球100英里以内的100个最大的星系。一个主要的目标是对每个黑洞中心的超大质量黑洞进行称重。

为了做到这一点,需要精确的距离,并且SBF方法是最好的日期,她说。庞大的调查团队去年使用了这种方法,以确定埃达丹南部天空星座的巨型椭圆星系的距离。Combining that distance, 166 million light years, with extensive spectroscopic data from the Gemini and McDonald telescopes — which allowed Ma’s graduate students Chris Liepold and Matthew Quenneville to measure the velocities of the stars near the center of the galaxy — they concluded that NGC 1453 has a central黑洞它的质量是太阳的近30亿倍。

为了确定H0,基于每个星系的HST观察时间的45至90分钟,Blakerlee计算出大规模调查中的SBF距离到星系中的43个星系。另外20来自另一个使用HST到图像大星系的调查,特别是检测到IA型超新星的调查。

63个星系中的大多数是8到120亿年的历史,这意味着它们含有大量的旧红星,这是SBF方法的关键,也可用于提高距离计算的精度。在论文中,布莱克利使用了Cepheid变量恒星和一种技术,它在星系中使用最亮的红色巨星 - 被称为红色巨型分支的尖端,或TRGB技术 - 在大距离上梯形到梯子。它们产生了一致的结果。TRGB技术考虑到星系中最亮的红色巨头具有大致相同的绝对亮度。

“目标是通过使用James Webb Space Telescope获得SBFS的红色巨型分支校准,使这种SBF方法完全独立于Cepheid校准的IA超新星方法。”

“詹姆斯韦布望远镜有可能真正减少SBF的误差栏,”MA补充。但是,现在,哈勃常数的两个不和谐的措施必须学会彼此共存。

“我并不是要测量H0;这是我们调查的伟大成果,”她说。“但我是一名宇宙学家,正以极大的兴趣观察着这一切。”

与Blakeslee,Ma和Jensen的本文的共同作者是Jenny Greene普林斯顿大学,谁是大型团队的领导者,亚利桑那大学彼得米尔恩在图森领先,他领导了学习IA型超值型。该工作得到了国家航空航天局(HST-Go-14219,HST-Go-14654,HST-15265)和国家科学基金会(AST-1815417,AST-1817100)的支持。

4评论关于“宇宙膨胀的速度有多快?”新的哈勃常数测量突出了我们对宇宙命运的估计之间的差异

  1. BibhutibhusanPatel.|2021年3月10日上午7:59|回复

    图73.3 +或_ 2.5 km / sec / mpc可以授予标准漏洞旁边,旁边具有良好的所有原点的所有其他值。

  2. BibhutibhusanPatel.|2021年3月10日上午8:30|回复

    图73.3 +或_ 2.5 km / sec / mpc可以授予标准漏洞旁边,旁边具有良好的所有原点的所有其他值。引力波观测的中子统计数据的合并simultaneòusly宇宙微波背景温度计算可以验证这一事实,甚至某些形式的支持òf暗能量parþicle累积增加质量的总分数。从而给出了更最新的HO值。

  3. 表达测量的最佳估计的一般规则是保留不超过1 σ不确定度位置的有效数字,这是由不同精度的数字相加和减去的过程产生的。也就是说,新的值应该表示为73 +/- 3km /sec/Mpc。

    与当前接受的霍勃勃常数相比,在正确表达时,与73 +/- 1 km / sec / sec / mpc的恒定常数相比。

    这项研究并没有真正改变估计。这只会增加不确定性。

    请参见示例2:
    https://opentextbc.ca/yabovip2021chemistry/chapter/measurement-uncertainty-accuracy-and-precision/

    • 顺便说一句,应该明确说明+/-不确定度代表1-标准差还是2-标准差。虽然1-西格玛可能是最常用的,一些研究人员更喜欢使用2-西格玛进行高精度测量。为了避免含糊不清,选择应该与值和“不确定性”一起陈述。

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