宇宙学的危机-哈勃常数的测量结果不一致

时间：2021-08-20 17:52:09 来源：

扭曲的星系用W.M.夏威夷的凯克天文台（Keck Observatory）展示了来自两个遥远星系的光线如何畸变为多个图像。加州大学戴维斯分校的天文学家通过观测这些畸变的图像，对哈勃常数进行了新的估计，该常数描述了宇宙的膨胀。

由加州大学戴维斯分校领导的一组天文学家获得了新的数据，这些数据表明宇宙的扩张速度比以前想象的要快。

这项研究紧随有关宇宙膨胀速度的激烈辩论之后。迄今为止的测量结果存在分歧。

团队对哈勃常数或宇宙膨胀率的新测量采用了另一种方法。他们将NASA的哈勃太空望远镜（HST）与W. M. Keck天文台的自适应光学（AO）系统结合使用，观察了三个重力透镜系统。这是首次基于地面的AO技术获得哈勃常数。

加州大学戴维斯分校物理学教授克里斯·法斯纳赫特（Chris Fassnacht）说：“ 20多年前，当我第一次开始研究这个问题时，可用的仪器限制了您可以从观测中获得的有用数据量。”“在这个项目中，我们是在完整分析中首次使用凯克天文台的AO。多年来，我一直感觉到AO观测可以为这项工作做出很大贡献。”

“当我们认为我们已经解决了所有可能的分析问题时，我们就用规则来掩盖答案，即必须发布发现的任何价值，即使这很疯狂。这始终是一个紧张而激动人心的时刻。”–陈杰夫

研究小组的结果发表在《皇家天文学会月刊》的最新在线版本中。

为了排除任何偏见，团队进行了盲目分析。在处理过程中，他们将最终答案隐藏起来，直到自己确信自己已经解决了尽可能多的错误源。这样可以防止他们进行任何调整以达到“正确”的值，从而避免出现确认偏差。

艺术家对宇宙学标准模型的描绘。

“当我们认为我们已经解决了分析中所有可能出现的问题时，我们就用一个规则公开了答案，即必须发布发现的任何价值，即使这很疯狂。这始终是一个紧张而激动的时刻。”第一作者，加州大学戴维斯分校物理系研究生Geoff Chen说道。

失明显示的值与哈勃常数的测量值一致，该测量值是从对地球附近“本地”物体（例如附近的Ia型超新星或引力透镜系统）的观测中获得的； Chen的团队在进行盲目分析时使用了后者。

“这就是宇宙学的危机。哈勃常数在给定的时间在太空中的任何地方都是恒定的，但在时间上却不是恒定的。”–克里斯·法斯纳赫特（Chris Fassnacht）

研究小组的结果增加了越来越多的证据，表明宇宙学的标准模型存在问题，这表明宇宙在其历史早期发展非常迅速，然后由于暗物质的引力而扩展减慢了，现在膨胀由于一种神秘的力量暗能量而再次加速。

这个宇宙膨胀历史模型是使用传统的哈勃常数测量值组装而成的，这些测量值是从对宇宙微波背景（CMB）的“远距离”观测中获得的-宇宙始于138亿年前，宇宙大爆炸的剩余辐射。

最近，许多小组开始使用不同的技术并研究宇宙的不同部分以获得哈勃常数，并发现从“本地”与“遥远”观测中获得的值不一致。

“这就是宇宙学的危机，”法斯纳赫特（Fassnacht）说。“虽然哈勃常数在给定时间在太空中的任何地方都是恒定的，但在时间上却不是恒定的。因此，当我们比较各种技术产生的哈勃常数时，我们将比较早期的宇宙（使用遥测）和较晚的现代部分（使用本地，附近的观测）。”

这表明要么CMB测量存在问题（团队认为这不太可能），要么需要使用新的物理学方法以某种方式更改宇宙学的标准模型以纠正差异。

方法

Chen和他的团队使用Keck天文台的AO系统和Keck II望远镜上的第二代近红外相机（NIRC2）仪器，获得了三个著名的透镜类星体系统的本地测量结果：PG1115 + 080，HE0435-1223和RXJ1131-1231。

类星体是非常明亮，活跃的星系，通常带有由超大质量黑洞驱动的巨型喷流，吞噬着周围的物质。

“我们现在可以在更多透镜类星体系统上尝试这种方法，以提高哈勃常数的测量精度。也许这将引导我们建立一个更完整的宇宙宇宙模型。”–克里斯·法斯纳赫特（Chris Fassnacht）

尽管类星体通常距离很远，但天文学家能够通过引力透镜探测到它们，这种现象就像大自然的放大镜一样。当距离地球更近的足够庞大的星系挡住了来自遥远类星体的光时，该星系就可以充当透镜。它的引力场会扭曲空间本身，将背景类星体的光线弯曲成多个图像，并使它看起来更加明亮。

有时，类星体闪烁的亮度，并且由于每个图像对应于类星体到望远镜的路径长度略有不同，因此每个图像的闪烁出现的时间略有不同-它们并非同时到达地球。

HE0435-1223（左），PG1115 + 080（中）和RXJ1131-1231（右）的多透镜类星体图像。

该团队使用HE0435-1223，PG1115 + 080和RXJ1131-1231仔细测量了这些时延，这些时延与哈勃常数的值成反比。这使天文学家可以解码来自这些遥远类星体的光，并收集有关在光到达地球期间宇宙已膨胀了多少的信息。

Chen说：“使用引力透镜测量哈勃常数的最重要因素之一就是敏感和高分辨率成像。”“到目前为止，最好的基于镜头的哈勃常数测量都涉及使用HST的数据。当我们不知情的时候，我们发现了两件事。首先，我们与以前基于HST数据的测量值具有一致的值，证明AO数据可以为将来的HST数据提供强大的替代方案。其次，我们发现结合AO和HST数据可以得到更精确的结果。”

下一步

Chen和他的团队以及地球上的许多其他小组正在做更多的研究和观察，以进一步调查。既然Chen的团队已经证明Keck天文台的AO系统与HST一样强大，那么天文学家可以在测量哈勃常数时将此方法添加到他们的技术中。

“我们现在可以在更多透镜类星体系统上尝试这种方法，以提高哈勃常数的测量精度。也许这将引导我们建立更完整的宇宙宇宙模型。”法斯纳赫特（Fassnacht）说。

有关该主题的更多信息，请阅读《宇宙膨胀率的新度量后的宇宙奥秘加深》。

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参考：“ H0LiCOW的清晰视图：来自三个具有自适应光学成像功能的延时重力透镜系统的H0”，作者：Geoff CF Chen，Christopher D Fassnacht，Sherry H Suyu，Cristian E Rusu，James HH Chan，Kenneth C Wong，Matthew W Auger，Stefan Hilbert，Vivien Bonvin，Simon Birrer，Martin Millon，LéonVE Koopmans，David J Lagattuta，John P McKean，Simona Vegetti，Frederic Courbin，Xuheng Ding，Aleksi Halkola，Inh Jee，Anowar J Shajib，Dominique Sluse，Alessandro Sonnenfeld和Tommaso Treu，2019年9月12日，每月皇家天文学会的通告。DOI：
10.1093 / mnras / stz2547

关于NIRC2

第二代近红外摄像机（NIRC2）与Keck II自适应光学系统结合使用，可在近红外波长下获得非常清晰的图像，所获得的空间分辨率可与哈勃太空望远镜在光学波长下获得的图像分辨率相比或更高。。NIRC2可能以提供有关银河系中心巨大黑洞的权威证据而闻名。天文学家还使用NIRC2绘制太阳系物体的表面特征，探测绕着其他恒星运行的行星，并研究遥远星系的详细形态。

关于自适应光学

凯克天文台（W. M. Keck Observatory）是自适应光学（AO）领域的杰出领导者，这是一项突破性技术，可以消除由于地球大气湍流引起的畸变。凯克天文台率先在大型望远镜上天文使用自然导星（NGS）和激光导星自适应光学系统（LGS AO），目前的系统所提供的图像比哈勃太空望远镜的清晰度高三到四倍。凯克·AO（Keck AO）拍摄了绕恒星HR8799旋转的四个大行星的图像，测量了银河系中心的巨大黑洞的质量，在遥远的星系中发现了新的超新星，并确定了特定的恒星。鲍勃和瑞妮·帕森斯基金会（Bob and Renee Parsons Foundation），戈登（Change Happens）基金会，戈登（Gordon）和贝蒂·摩尔（Betty Moore）基金会慷慨地提供了对该技术的支持。古巴天文基金会，NASA，NSF和W.M. Keck基金会。