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破解哈勃難題：中子星碰撞有望照亮研究宇宙膨脹之路

2023-10-09 10:47:07 來源：cnBeta

尼爾斯-玻爾研究所（Niels Bohr Institute）建議利用千新星（中子星合并產生的爆炸）來解決宇宙膨脹率測量中的差異問題。初步結果很有希望，但還需要更多的案例來驗證。

近年來，天文學陷入了危機：盡管我們知道宇宙在膨脹，盡管我們知道膨脹的大致速度，但測量這種膨脹的兩種主要方法卻不一致。現在，尼爾斯-玻爾研究所的天體物理學家提出了一種新方法，或許有助于解決這一矛盾。

宇宙膨脹

【資料圖】

自從大約 100 年前埃德溫-哈勃和其他天文學家測量了周圍一些星系的速度后，我們就知道了這一點。宇宙中的星系被這種膨脹"帶"走，從而彼此后退。

兩個星系之間的距離越遠，它們之間的移動速度就越快，而這種移動的精確速度是現代宇宙學中最基本的量之一。描述宇宙膨脹的數字被稱為"哈勃常數"，它出現在宇宙及其組成成分的眾多不同方程和模型中。

星系靜靜地躺在太空中，但太空本身卻在膨脹。這導致星系以不斷增加的速度彼此遠離。不過具體有多快還是個謎。圖片來源：ESO/L. 卡爾卡達星系在太空中靜止不動，但太空本身卻在不斷膨脹。這就導致星系以越來越快的速度相互遠離。不過具體有多快還是個謎。資料來源：ESO/L. 卡爾卡達

哈勃難題

因此，要了解宇宙，我們必須盡可能精確地知道哈勃常數。有幾種方法可以測量哈勃常數；這些方法相互獨立，但幸運的是，它們得到的結果幾乎相同。

原則上，最容易理解的直觀方法就是埃德溫-哈勃和他的同事們在一個世紀前使用的方法：找到一堆星系，測量它們的距離和速度。實際上，這是通過尋找恒星爆炸的星系，即所謂的超新星來實現的。這種方法還輔以另一種方法，即分析所謂宇宙背景輻射中的不規則現象；這是一種古老的光形式，可以追溯到宇宙大爆炸后不久。

這兩種方法--超新星法和背景輻射法--得出的結果總是略有不同。但任何測量都有不確定性，而幾年前的不確定性已經足夠大，我們可以把這種差異歸咎于不確定性。

左半球顯示的是 1572 年第谷-布拉赫（Tycho Brahe）發現的超新星不斷膨脹的殘留物，這里用 X 射線觀察（圖片來源：NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.）。右圖是用微波觀測到的半邊天宇宙背景輻射圖。資料來源：NASA/WMAP 科學小組

盡管如此，隨著測量技術的不斷進步，不確定性也在不斷減小，現在我們已經可以非常有把握地指出，這兩個結果不可能都是正確的。

這種"哈勃麻煩"的根源--是未知的影響系統性地偏離了其中一個結果，還是暗示了尚未發現的新物理學--是目前天文學最熱門的話題之一。

哈勃常數差異

宇宙的膨脹是以"單位距離速度"來衡量的，每百萬光年的膨脹速度略高于 20 千米/秒。這意味著，一個位于1億光年外的星系以每秒2000千米的速度從我們身邊退去，而另一個位于2億光年外的星系則以每秒4000千米的速度退去。

然而，利用超新星測量星系的距離和速度可以得到 22.7 ± 0.4 千米/秒的結果，而分析宇宙的背景輻射則可以得到 20.7 ± 0.2 千米/秒的結果。

關心這樣一個小小的分歧聽起來似乎有些瑣碎，但它可能意義重大。例如，這個數字出現在宇宙年齡的計算中，兩種方法得出的年齡分別為 128 億年和 138 億年。

準確測定星系的距離是最大的挑戰之一。但在一項新的研究中，哥本哈根尼爾斯-玻爾研究所宇宙黎明中心的天體物理學博士生阿爾伯特-斯內彭提出了一種測量距離的新方法，從而有助于解決目前的爭議。

"當兩顆超緊湊中子星--它們本身就是超新星的殘余物--相互繞行并最終合并時，它們會發生新的爆炸，即所謂的千新星，"阿爾伯特-斯奈本解釋說。"我們最近證明了這種爆炸如何具有顯著的對稱性，事實證明這種對稱性不僅美麗，而且非常有用。"

在剛剛發表的第三項研究中，這位多產的博士生表明，千新星盡管復雜，卻可以用單一溫度來描述。事實證明，千新星的對稱性和簡單性使天文學家能夠準確推斷出它們發出多少光。

將這一光度與到達地球的光度相比較，研究人員就能計算出千新星距離地球有多遠。他們由此獲得了一種新穎、獨立的方法來計算含有千新星的星系的距離。

達拉赫-沃森（Darach Watson）是宇宙黎明中心的副教授，也是這項研究的合著者之一。他解釋說："到目前為止，人們一直用超新星來測量星系的距離，但超新星發出的光量并不總是相同的。此外，它們首先要求我們使用另一類恒星（即所謂的仙王座恒星）來校準距離，而仙王座恒星也必須進行校準。有了千新星，我們就可以避開這些給測量帶來不確定性的復雜問題。"

初步發現和未來步驟

為了證明其潛力，天體物理學家將該方法應用于 2017 年發現的一顆千新星。結果是哈勃常數更接近本底輻射法，但千新星法能否解決哈勃麻煩，研究人員還不敢妄言：

"阿爾伯特-斯內彭提醒說："到目前為止，我們只有這一個案例研究，還需要更多的例子才能確定一個可靠的結果。但我們的方法至少繞過了一些已知的不確定性來源，是一個非常"干凈"的研究系統。它不需要校準，也不需要修正系數。"

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