愛因斯坦預(yù)測(cè)的星系翹曲，成為測(cè)量“宇宙膨脹”的第三種方法！

宇宙正在膨脹，這是宇宙學(xué)上最大的爭(zhēng)論之一，但宇宙膨脹速度到底有多快？?jī)煞N可用的測(cè)量產(chǎn)生了不同結(jié)果。萊頓物理學(xué)家大衛(wèi)·哈維采用了一種獨(dú)立的第三種測(cè)量方法，使用了愛因斯坦預(yù)測(cè)的星系翹曲特性，其研究成果發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。自哈勃時(shí)代以來，關(guān)于宇宙膨脹，我們已經(jīng)知道了將近一個(gè)世紀(jì)。天文學(xué)家指出，來自遙遠(yuǎn)星系光的波長(zhǎng)比距離近的星系要短。

光波似乎被拉伸或紅移，這意味著那些遙遠(yuǎn)的星系正在遠(yuǎn)離。這種稱為哈勃常數(shù)的膨脹率是可以測(cè)量的，某些超新星或正在爆炸的恒星具有眾所周知的亮度，這使得估計(jì)它們與地球的距離并將其與紅移或速度聯(lián)系起來成為可能。每百萬(wàn)秒的距離（百萬(wàn)秒差距是330萬(wàn)光年）星系從我們身邊后退的速度就會(huì)以每秒73公里的速度增加。然而，對(duì)宇宙微波背景（宇宙早期的殘余光）越來越精確的測(cè)量，得出了一個(gè)不同的哈勃常數(shù)：大約每秒67公里。

不同測(cè)量的不同結(jié)果

怎么會(huì)這樣呢？為什么會(huì)有不同？這種差異能告訴我們一些關(guān)于宇宙和物理學(xué)的新信息嗎？萊頓物理學(xué)家大衛(wèi)·哈維(David Harvey)說：這就是為什么第三種獨(dú)立于其他兩種測(cè)量方法出現(xiàn)在人們的視野中：引力透鏡。阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)的廣義相對(duì)論預(yù)言，質(zhì)量集中(如星系)可以彎曲光路，就像透鏡一樣。當(dāng)一個(gè)星系在明亮的光源前面時(shí)，光線在它周圍彎曲，可以通過不同的路徑到達(dá)地球，提供兩個(gè)，有時(shí)甚至四個(gè)相同光源的圖像。

1964年挪威天體物理學(xué)家斯朱爾·雷夫斯達(dá)爾(Sjur Refsdal)經(jīng)歷了一個(gè)“頓悟”時(shí)刻：當(dāng)透鏡星系稍微偏離中心時(shí)，一條路徑比另一條路徑長(zhǎng)。這意味著光線在這條路徑上需要更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，當(dāng)類星體的亮度發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)光點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在一幅圖像中，然后出現(xiàn)在另一幅圖像中，差異可能是幾天，甚至幾周或幾個(gè)月。Refsdal指出，這種時(shí)差也可以用來確定類星體和透鏡之間的距離。將這些與類星體的紅移相比較，就可以獨(dú)立地測(cè)量哈勃常數(shù)。

想象整個(gè)天空

HoliCOW項(xiàng)目下的一項(xiàng)研究合作使用了6個(gè)這樣的鏡頭，將哈勃常數(shù)縮小到約73。然而，也有復(fù)雜的情況：除了距離差，前景星系的質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生延遲效應(yīng)，這取決于準(zhǔn)確的質(zhì)量分布。哈維說：這必須對(duì)這種分布進(jìn)行建模，但還有很多未知數(shù)，像這樣的不確定性限制了這項(xiàng)技術(shù)的準(zhǔn)確性。2021年當(dāng)一臺(tái)新的望遠(yuǎn)鏡在智利看到第一縷曙光時(shí)，這種情況可能會(huì)改變。維拉·魯賓天文臺(tái)致力于每隔幾個(gè)晚上對(duì)整個(gè)天空進(jìn)行成像，預(yù)計(jì)將拍攝數(shù)以千計(jì)的雙類星體圖像，從而提供進(jìn)一步縮小哈勃常數(shù)范圍的機(jī)會(huì)。

但問題是，單獨(dú)對(duì)所有這些前景星系進(jìn)行建模在計(jì)算上是不可能的。因此，研究人員設(shè)計(jì)了一種方法來計(jì)算多達(dá)1000個(gè)鏡片的全分布平均效果。在這種情況下，引力鏡頭的個(gè)別誤差并不那么重要，也不必為所有鏡頭做模擬，只需要確保對(duì)整體群體進(jìn)行建模。研究證明了用這種方法，當(dāng)接近數(shù)千個(gè)類星體時(shí)，哈勃恒定閾值的誤差為2%。這一誤差范圍將允許在幾個(gè)哈勃常數(shù)候選之間進(jìn)行有意義的比較，并有助于理解差異。如果想降到2%以下，必須通過做更好的模擬來改進(jìn)模型。

博科園｜www.bokeyuan.net

博科園｜研究/來自：萊頓物理研究所

參考期刊《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》

DOI: 10.1038/s41467-020-19292-w

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普