宇宙有点怪,或许我们看错了天文在线

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本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。简介：我们都知道宇宙一直在膨胀。科学家有很多不同的方法来衡量这种膨胀。好消息是这些方法得到的数量大致相同。坏消息是他们没有得到完全相同的数字。一组方法获得一个数字，另一组方法获得另一个数字。这种差异已经存在一段时间了，而且没有好转。宇宙有问题。或者，可能是我们观察的方式有问题。不管是哪种情况，都让人觉得可疑。简而言之，宇宙正在膨胀。有一大堆不同的方法来测量这种膨胀。好消息是这些方法都得到了大致相同的数字。坏消息是他们得到的数字并不完全相同。一组方法得到一个数字，而另一组得到另一个数字。这种差异已经存在了一段时间，并且没有得到改善。事实上，它正在变得更糟（正如天文学家常说的那样，两种方法之间的矛盾越来越大）。这两组方法之间的最大区别是，一组方法着眼于宇宙中相对较近的事物，而另一组则着眼于非常遥远的事物。要么是我们做错了什么，要么是宇宙在远处做的事情与近处不同。刚刚发表的一篇新论文使用了一种巧妙的方法来测量附近星系的膨胀，它所发现的与其他附近物体的方法完全一致。这可能有帮助，也可能没有帮助。退一万步讲......我们知道宇宙正在膨胀已经有一个世纪左右了。我们看到星系都在远离我们，一个星系离我们越远，它看起来就移动得越快。据我们所知，一个星系的距离和它看起来移动的速度之间存在着紧密的关系。因此，比如说，一个1兆帕*（缩写为Mpc）的星系可能以每秒70公里的速度远离我们，而两倍于此的星系（2兆帕）则以两倍的速度（公里/秒）移动着。该比率似乎保持了很长的距离，因此我们将其称为哈勃常数，或者H0（发音为Hnaught），这是根据最早提出这个想法的埃德温-哈勃所命名的名字。它是以每兆焦距每秒公里数的奇怪单位来衡量的（或者说每段距离的速度--如果某样东西离我们更远，它就移动得更快）。观察较近的物体如附近星系中的恒星、爆炸的恒星等的方法得到的H0大约是73公里/秒/Mpc。但更遥远的东西，如宇宙微波背景和重子声学振荡的方法得到的数字就比较小，大概是68公里/秒/Mpc。它们是很接近，但它们不一样。鉴于这两种方法似乎都是一致的，那么这就是一个有待商榷的问题。到底发生了什么事？这篇新论文用了一种很酷的，叫做表面亮度波动的方法去分析。这是一个花哨的名字，但它实际上涉及一个非常直观的想法。想象一下，你站在一片森林的边缘，就在一棵树的前面。因为你离得很近，所以你的视野中只看到一棵树。往后退一点，你可以看到更多的树。再退远一点，你就能看到更多。银河系也是如此。用望远镜可以观察到一个近在咫尺的星系。在你相机的一个特定像素中，你可能会看到十颗星星，所有的星星都被模糊在这个单一的像素中。但是由于统计学的原因，另一个像素可能只能看到15颗（比第一个像素亮50%），另一个5颗（比第一个像素亮一半）。现在，我们来看看一个在各方面都相同、但距离是原星系两倍的星系。在一个像素中，你可能会看到20颗恒星，而在其他像素中，你会看到27颗和13颗（相差约35%）。在10倍的距离上，你看到的是颗、颗和90颗（相差大约10%）--请注意，我在这里简化了这个问题，只是把它作为一个例子编造了一些数字。但重点在于，星系越远，亮度的分布就越平滑（与每个像素的总量相比，像素之间的差异就越小）。不仅如此，它的平滑程度是你可以测量和分配一个数字的。椭圆星系IC，它距离地球约万光年。资料来源：欧空局/Hubble和美国国家航空航天局图片致谢。JudySchmidt和J.Blakeslee（多米尼克天体物理学观测站）。请注意，该图片与科学发布无关。椭圆星系IC，它距离地球约万光年。资料来源：欧空局/Hubble和美国国家航空航天局图片致谢。JudySchmidt和J.Blakeslee(DominionAstrophysicalObservatory)。科学已确认过。M.Carollo(ETH,瑞士)在现实中，情况要远比这更复杂。如果一个星系正忙于在某一区域制造恒星，它就会使数字发生变化，所以最好是看椭圆星系，它已经有十亿年没有制造新的恒星了。而且银河系和我们的距离需要离得足够近，我们才能得到好的统计数据，那么这就把它限制在可能有3亿光年远和更近的地方。你还必须考虑到尘埃、图像中的背景星系、星系团、以及星系如何在其中心拥有更多的恒星，等等。但所有这些都是已知的，而且是相当直接的纠正。当他们做完这一切后，他们得到的H0的数字是（我先在这里卖个关子......）73.3公里/秒/Mpc（不确定性大约为±2公里/秒/Mpc），与其他近距离的方法一致，与其他使用远距离方法的小组是非常不同的。在某种程度上这是意料之中的，但这又让人确信，我们确实错过了一些重要的东西。所有的方法都有其问题，但它们的不确定性相当小。要么我们真的低估了这些不确定性（是可能的，但在这一点上有些不太可能），要么只能说宇宙的行为方式是我们预料不到的。如果让我打赌，我会选择后者。为什么？因为宇宙一直如此。宇宙是很棘手的。自20世纪90年代以来，我们就知道膨胀已经偏离了常数。天文学家看到，非常遥远的爆炸恒星总是比简单的测量所显示的更远，这使他们认为宇宙现在的膨胀速度比过去快，这反过来又导致了暗能量的发现--加速宇宙膨胀的神秘实体。阿塔卡马宇宙学望远镜对早期宇宙所做的巨大调查的一部分，显示出大爆炸遗留下来的辐射中的微小温度波动。这些变化最终形成了星系、恒星和你。资料来源：ACT合作当我们观察非常遥远的物体时，我们看到的是它们在过去的样子，即宇宙更早期的时候。如果宇宙的膨胀率当时（比如说-亿年前）与现在（不到10亿年前）不同，我们便可以得到两个不同的H0值。或者说，宇宙的不同部分以不同的速度膨胀。如果膨胀率发生了变化，这将产生深远的影响。这意味着宇宙不是我们认为的那个年龄（我们以膨胀率来追溯年龄），这意味着它大小不同，也意味着事情发生的时间不同。同时也意味着发生在早期宇宙的物理过程发生在不同的时间，也许还有其他的过程影响了膨胀率。所以，是的，这很混乱。要么是我们对宇宙的行为方式理解得不够透彻，要么就是我们没有正确地测量它。无论哪种方式，这都很痛苦。因为我们不知道到底是哪种情况。这篇新的论文使它看起来更像是真实的差异，而宇宙本身就是罪魁祸首。但这并不是决定性的因素。我们仍需继续努力，不断降低不确定性，并不断尝试新的方法，希望在某个时候我们会有足够的数据指向某个东西并说：阿哈！我想，那将会是很有趣的一天。当这样的时刻来临时，我们对宇宙的理解将有一个很大的飞跃，然后宇宙学家将不得不寻找其他东西来争论。他们肯定会这样做的。毕竟宇宙是个很大的地方，有很多东西值得争论不休。*一个准星是长度单位，相当于3.26光年（或1/12凯瑟尔）。这是个很奇怪的单位，我知道，但它有很多历史意义，并且与我们测量距离的很多种方法有关联。观察星系的天文学家们喜欢使用兆帕斯卡的距离单位，其中1兆帕斯卡是万光年。这比我们和仙女座星系之间的距离要长一点。BY:PhilPlaitFY:米晓雨如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

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