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天文数据为什么差异大,如何精确地衡量宇宙扩

2019-10-06 20:21

还有,由于天文数字的巨大,在长长的运算过程中,也会形成最大和最小值之间的巨大差别。

宇宙每时每刻都在膨胀,就像烤箱里的面团一样,星系之间的空间正在延伸。但宇宙的扩张速度有多快?当哈勃望远镜和其他望远镜试图回答这个问题时,它们的观测和科学家之前的预测出现了明显的差异。当时间来到20世纪90年代,科学家们终于将哈勃常数值精确地提高了10%,但这仍意味着还有数十亿光年的“星系际”距离需要进一步精确。于是,弗里德曼将研究的焦点放在了附近星系中已经老化的红巨星身上,通过它们在晚期进化这个关键阶段的亮度峰值,以计算实际距离。这些不同的现代宇宙扩张速度,和科学家之前对宇宙的预测存在偏差,但它们却都表明了当前的宇宙模型很可能并不完整,甚至存在一些根本性的缺陷。

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在书刊上看到的许多天文数据,都存在着极大的差异,如银河系的恒星数量,有说几百亿颗的,也有说1000多亿颗的,还有说1~2千亿颗的;再如宇宙中的星系数量,有说800亿个,有说1000多亿个,也有说2000亿个;关于宇宙的年龄,可看到80亿、100亿、120亿、140亿、150亿和240亿等各种不同说法。

此前,科学家们曾采用了建立宇宙微波背景的方法,计算得出膨胀率为67.4/Mpc,而造父变星所测量的值为74/Mpc。早在2001年,弗里德曼率领一支团队就实现了一次具有里程碑意义的哈勃常数测量,在以造父变星作为距离标记,并得到的值为72/Mpc。对于所有科学家而言,测量宇宙膨胀率这件事本身就充满了挑战性,尤其是要将远处物体的距离计算精确。所有人也都在寻找,是什么原因导致了这些不一致的结果。我们可以做的就是,从这些差异可能来自哪些方面着手,比如,我们对目前所测量的恒星还没有足够的了解,又或者目前的宇宙学模型本身还不够完整,甚至这两者都还需要进行改进。这便是为什么弗里德曼的团队会选择完全不同的恒星,尝试计算出独立的哈勃常数路径,以检查之前的测量结果。

在晴朗的夜晚,我们抬头总能看到很多远在太阳系外的恒星,最多可以看到几千颗。然而,肉眼可见恒星的数量仅仅是宇宙中的极小一部分。那么,宇宙中的恒星数量有多少呢?与地球上的沙子总数相比哪个更多呢?

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对天文数据不能要求像工程数据那样准确。当然,随着科学技术的进步,天文数据也会逐渐地趋向准确。

造父变星如何“校准”宇宙膨胀率

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另一方面,沙子的平均直径约为0.5毫米,而地球上存在大约7亿立方米的沙子,所以地球上的沙子总数约为130亿亿颗。因此,可观测宇宙中的恒星数量要比地球上的沙子更多。

正如我们现在所了解到的那样,宇宙一直处于不断膨胀的状态之中,这也意味着宇宙必然有一个开端。比如,星系之间彼此分离的运动也是膨胀的表现之一,当星系之间的距离越来越遥远,她们退行的速度反而会变得更快。因此,测量宇宙的膨胀率变成了宇宙探索的重中之重,退行速度和星系距离之间的关系就是所谓的哈勃定律,而通过该定律所得出的“星系退行率”就是哈勃常数,即宇宙膨胀的速率,这个值也在科学家们的观察中不断被修正。天文科学家们没有借鉴之前的数据积累,而是选择了一种完全不同的恒星,对宇宙膨胀的速度进行了一次全新的测量。

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在宇宙中,恒星、星云等物质通过引力作用组成了星系。只要知道宇宙中的星系总数和平均每个星系所包含的恒星数量,就能估算出恒星总数。

其次,一个天文数据受许多因素的制约,由于理论观点的不同而多计入或少计入一两项也会带来计算结果的巨大差别。

造父变星是亮度会发生周期性变化的一类恒星,北极星就是其中之一。这类恒星会像做“深呼吸”一样不断膨胀与收缩,从而产生光变现象。科学家们通过观测发现,造父变星的光变周期与其绝对光度有关,因此从地球上观测到的亮度同它们与地球的距离相关。如果得知一颗造父变星与地球间的确切距离,便可以利用其它造父变星的视星等与绝对光度数据,然后推算出这些变星的距离,从而确定它们所在的星系与地球的距离。而星系距离正是计算宇宙膨胀率的基础。但离地球最近的造父变星也有几百光年,难以用传统的视差法直接测量其距离。于是,科学家们采用了“光学干涉测量”技术,使两台小型望远镜发挥一台大型望远镜的效果,直接观察到了“双子座泽塔”造父变星的膨胀与收缩。并利用它的尺寸变化与亮度数据,直接计算出了它与地球的确切距离。科学家在此基础上,更精确地计算了其它含有造父变星的星系与地球的距离。

根据2016年的一项研究,可观测宇宙中至少存在2000亿个星系,也有可能多达2万亿个。因此,可观测宇宙中存在的恒星数量约为2000亿亿至2万亿亿颗。

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许多天文数据都是建立在本身就不准确的一些数据之上,如恒星的距离和亮度是星系的大小和星系之间的距离等等,本身就是估算出来的,根据这些估算出来的宇宙年龄、星系数量等等,就会产生很大的差异。

正是因为不同的哈勃常数估计,在1990年哈勃太空望远镜发射之前,科学家们将宇宙的年龄界定为100到200亿年之间。因此,让这个值更准确也是哈勃望远镜的最大的探索目标。

在宇宙中,恒星、星云等物质通过引力作用组成了星系。只要知道宇宙中的星系总数和平均每个星系所包含的恒星数量,就能估算出恒星总数。

由于宇宙空间在持续膨胀,并且光速不是无限快,从宇宙诞生至今,遥远星系发出的光所能行进的距离是有限的,所以我们只能观测到一定范围的宇宙——可观测宇宙。可观测宇宙是以地球为中心,半径为465亿光年的空间区域。由于不可观测宇宙有多大仍是未知数,所以这里只计算可观测宇宙中的恒星数量。

在现代宇宙中,星系之间的实际空间拉伸速度,会比科学家之前预期的更快一些。而弗里德曼团队在哈勃常数的测量中,选择的是一种称为红巨星的恒星。从哈勃望远镜观测到的数据来看,附近宇宙的扩展速率低于70/Mpc,该值小于之前哈勃SH0ES团队使用造父变量报告所得出的结果/Mpc)。越来越多的研究都指向了同一个结果,那就是实际观察值和预测值之间存在差异,因此,科学家们开始考虑是否需要一个新模型来解释该现象,一个为宇宙的基础物理学所提出的模型。

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在晴朗的夜晚,我们抬头总能看到很多远在太阳系外的恒星,最多可以看到几千颗。然而,肉眼可见恒星的数量仅仅是宇宙中的极小一部分。那么,宇宙中的恒星数量有多少呢?与地球上的沙子总数相比哪个更多呢?

弗里德曼表示,之所以选取红巨星这样的方法,是为了解决造父变星和微波背景之间所存在的问题,只是测量出的值并没有支持其中任何一个答案,而是一个和普朗克接近的膨胀率结果。恒星中总有一部分会在生命终结的时候,成为一颗异常明亮的红巨星,包括我们的太阳也会在数十亿年后,经历这样的进化阶段。科学家们正是通过不同星系中恒星的红巨星阶段所表现的亮度,以得出它们的距离。哈勃常数的计算方法,简单来说就是星系的移动速度,会将目标星系的表观衰退速度和距离值进行比较。科学家们最终得出的哈勃常数为69.8/Mpc,当然,这个结果值和之前的值都有所不同。

不同星系的尺寸有着非常大的差异,它们包含的恒星数量也差别非常大。已知最小的星系只包含1000颗恒星,这要比球状星团所拥有的恒星数量还少。已知最大的星系拥有的恒星数量高达100万亿颗,这至少是银河系恒星总数的250倍。

但在宇宙中,矮星系占了绝大部分。例如,本星系群中存在超过50个星系,但其中只有3个螺旋星系,其他都是形状不规则的矮星系。平均而言,矮星系包含的恒星数量约为1亿颗。因此,可以认为,平均每个星系中存在大约1颗恒星。

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但在宇宙中,矮星系占了绝大部分。例如,本星系群中存在超过50个星系,但其中只有3个螺旋星系,其他都是形状不规则的矮星系。平均而言,矮星系包含的恒星数量约为1亿颗。因此,可以认为,平均每个星系中存在大约1颗恒星。

根据2016年的一项研究,可观测宇宙中至少存在2000亿个星系,也有可能多达2万亿个。因此,可观测宇宙中存在的恒星数量约为2000亿亿至2万亿亿颗。

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另一方面,沙子的平均直径约为0.5毫米,而地球上存在大约7亿立方米的沙子,所以地球上的沙子总数约为130亿亿颗。因此,可观测宇宙中的恒星数量要比地球上的沙子更多。

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1924年,银河系外的星系首次被发现,这位科学家名叫埃德温·哈勃,并通过强大的“新霍克望远镜”测量到这些星系的距离。同时,他意识到当星系的距离越远,其从我们身后褪去的速度会越快,这也是在宇宙的各个方向均匀扩张的有力证据。而哈勃常数的基础便是扩张率,人类可以通过它来了解宇宙的年龄、起源、进化,以及未来将经历的命运的线索。在已经过去的大约一个世纪的时间里,天文科学家们都没有停止对哈勃常数的精心测量。

由于宇宙空间在持续膨胀,并且光速不是无限快,从宇宙诞生至今,遥远星系发出的光所能行进的距离是有限的,所以我们只能观测到一定范围的宇宙——可观测宇宙。可观测宇宙是以地球为中心,半径为465亿光年的空间区域。由于不可观测宇宙有多大仍是未知数,所以这里只计算可观测宇宙中的恒星数量。

不同星系的尺寸有着非常大的差异,它们包含的恒星数量也差别非常大。已知最小的星系只包含1000颗恒星,这要比球状星团所拥有的恒星数量还少。已知最大的星系拥有的恒星数量高达100万亿颗,这至少是银河系恒星总数的250倍。

关于宇宙正在膨胀这个事实,科学家们已经对其知晓了大约一个世纪的时间,我们都知道了一个基本的事实,那就是宇宙中每个星系之间的距离,已经随着时间的前进而变得更加遥远。但至于空间的拉伸具体有多快,却一直是一个让人难以捉摸的哈勃常数值。在天体物理学中,宇宙膨胀的速度一直是一个具有激烈争议的核心问题,因为它的值甚至会引起宇宙基本属性的解释被更改。这一次全新的测量,则是来自NASA的哈勃太空望远镜,而参与现代宇宙膨胀率测量的研究人员是科学家弗里德曼和他的团队。通过研究人员的测量数据结果得知,现代扩张测量与基于宇宙的预测之间,存在着一些差距。

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近一个世纪的哈勃常数值测量

如何精确地衡量宇宙地扩张速率

通过准确测量到附近星系的距离,便可从宇宙距离尺度确定宇宙中天体的距离,然后使用它们的恒星作为里程碑标记,再到更远的星系。科学家们通过观测一颗造父变星的直径变化,然后计算它与地球之间的距离,这对更精确地测量各星系与地球的距离有很大帮助,可以进一步“校准”宇宙膨胀率。科学家们使用哈勃望远镜观测了大麦哲伦星云中70颗称为造父变星的脉动星,而后通过比较这些造父变星、更远星系中的造父变星、以及更远更亮的超新星的测量结果。星团成员造父变星明暗交替的速率与其本征光度直接相关,一旦天文学家确定了这个值,他们就可以通过测量来自这些恒星的光来计算它们到银河系的准确距离。当新的哈勃观测与大麦哲伦星云的独立距离测量技术相关联时,研究人员能够加强所谓“宇宙距离阶梯”的基础,而这种“微调”显著提高了宇宙膨胀速度的准确性。

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通过红巨星得出的宇宙扩展速率

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