新觀測發現鄰近宇宙膨脹更快 科學家驚訝
2020 年 01 月 12 日
被引力透鏡的類星體照片示意圖 Image credit: NASA, ESA, EPFL (Switzerland)
2020 年 1 月 8 日，在美國夏威夷檀香山舉行的第 235 屆美國天文學會年會上，天文學家公布了宇宙膨脹速度測量的最新結果。令人驚訝的是，新結果與以前觀測結果有巨大差異。
最新結果使用引力透鏡法進行測量。由於宇宙中星系的巨大引力，它們可以像一個巨型放大鏡一樣，放大並扭曲來自其背後天體的光。利用這個效應天文學家可以精確測量星系與地球的距離，從而測定宇宙膨脹速度。
然而，研究人員發現新方法測定的鄰近宇宙膨脹速率，與之前通過微波背景輻射所測定的遙遠宇宙膨脹速率之間有明顯差異。
宇宙的膨脹速率一般用哈勃常數來描述。知道哈勃常數的精確值對於確定宇宙的年齡、大小、以及宇宙的演化至關重要。揭開這個謎底是近年來天體物理學面臨的最大挑戰之一。新研究結果表明，我們現有宇宙模型可能存在巨大漏洞，需要新理論來解釋鄰近宇宙和遙遠宇宙之間哈勃常數的差異。
進行新的哈勃常數測量的研究項目叫作 H0LiCOW 。該項目組在過去二十年中極大改進了引力透鏡測量哈勃常數的技術。
H0LiCOW 和其它最近的測量結果表明，鄰近宇宙的哈伯常數比歐洲航天局普朗克衛星（ Planck satellite ）對遙遠宇宙中微波背景輻射進行的哈勃常數測量要更大。
H0LiCOW 小組負責人，德國馬克斯·普朗克天體物理學研究所（ Max Planck Institute for Astrophysics ）的研究員，同時也任職台灣中央研究院的研究員蘇游瑄（ Sherry Suyu ）說：「如果這些結果不一致，則可能暗示我們尚未完全理解物質和能量如何隨時間演化，特別是在早期。」
H0LiCOW 團隊使用哈勃望遠鏡觀測了六個遙遠類星體發出的光線。望遠鏡觀察到來自每個類星體的光如何通過巨大的前景星系的引力扭曲放大成四個圖像。研究的星系距離我們有 30 億到 65 億光年。類星體與地球的平均距離為 55 億光年。
來自每個透鏡類星體圖像的光線到達地球的路徑略有不同。為了追蹤每條路徑，天文學家監視了類星體的黑洞吞噬物質時產生的閃光。當光線閃爍時，每個被引力透鏡的圖像會在不同的時間變亮。
這一閃爍序列使研究人員能夠測量透鏡光沿著其到達地球路徑時每個圖像之間的時間延遲。然後，天文學家可以推斷出從星系到類星體，以及從地球到星系之間的距離。通過比較這些距離值，研究人員測量了宇宙的膨脹速率，即哈勃常數。
團隊成員、日本東京大學科維理宇宙物理學與數學研究所的研究員肯尼斯·黃（ Kenneth Wong ）說：「每個時延的長短都表明宇宙膨脹的速度。如果時間延遲更短，那麼宇宙在以更快的速度膨脹。如果時間更長，則説明膨脹速度更慢。」
研究人員計算出的哈勃常數值為每兆秒差距 73 公里/秒，其不確定性為 2.4%。這意味著，由於宇宙的膨脹，每離開地球 330 萬光年，一個星系就會以每秒 73 公里的速度遠離我們。
該團隊的測量值接近於另一個叫作 SH0ES 的團隊測量的的哈勃常數。 SH0ES 的測量是基於通過使用造父變星和超新星來測量星系的距離。
但是， SH0ES 和 H0LiCOW 值與普朗克衛星測定的哈勃常數大約每兆秒差距 67 公里/秒的結果顯著不同。
「我們克服的挑戰之一是通過一個稱為 COSMOGRAIL 的項目進行專門的監視程序，以獲取其中一些類星體透鏡系統的時間延遲。」COSMOGRAIL 項目負責人、瑞士洛桑聯邦理工學院（ Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ）的研究員弗雷德里克·庫賓（ Frédéric Courbin ）說。
從 2012 年開始， H0LiCOW 團隊已獲得哈勃圖像和 10 個被引力透鏡的類星體及其引力透鏡星系的時延信息。該團隊的目標是觀察 30 個以上的透鏡類星體系統，以將其 2.4%的不確定度降低到 1%。
