新宇宙透镜测试加剧哈勃张力,暗示新物理存在

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这些发现强化了一种观点,即哈勃张力并非仅仅是测量误差,而可能反映了当前理论无法解释的真实物理现象。 十多年来,宇宙学一直困于一个令人费解的矛盾之中。测量宇宙膨胀的两种最可靠方法给出了两个不同的答

  这些发现强化了一种观点,即哈勃张力并非仅仅是测量误差,而可能反映了当前理论无法解释的真实物理现象。

  十多年来,宇宙学一直困于一个令人费解的矛盾之中。测量宇宙膨胀的两种最可靠方法给出了两个不同的答案。

  一组基于邻近恒星和爆发的超新星的测量表明,宇宙膨胀速率约为每秒每百万秒差距73公里。而另一种基于宇宙大爆炸遗留的微弱辐射——即宇宙微波背景辐射——的方法,则指向一个更慢的膨胀速率,约为每秒每百万秒差距67公里。

  这种不匹配,也被称为哈勃张力,已发展成为现代物理学最重大的问题之一。如果这种分歧是真实存在而非错误所致,则可能意味着我们对宇宙的理解并不完整。

  如今,一个天文学家团队从一个完全不同的角度切入此问题,他们通过测量引力透镜类星体光路中的微小时间延迟来展开研究。他们的新分析为哈勃张力可能反映了真实物理现象,而不仅仅是过去测量方法失误的观点增添了砝码。

  研究作者表示:“哈勃张力至关重要,因为它可能指向宇宙学揭示新物理的新时代。”

  不依赖距离阶梯测量宇宙膨胀

  传统上,天文学家构建距离阶梯来估算天体距离以及它们远离我们的速度。他们从亮度已知的恒星开始,然后用它们来校准超新星,再用那些超新星来测量整个宇宙的距离。

  这是一种强大的技术,但每个步骤中的微小不确定性会累积起来,批评者认为这可能是哈勃张力背后的原因。这项新研究使用了一种称为“时间延迟宇宙学测量法”的方法,完全绕过了这个阶梯。它依赖于引力最奇特的技巧之一,即引力透镜效应。

  研究人员之一、东京大学助理教授Eric Wong解释道:“要使用时间延迟宇宙学测量哈勃常数,你需要一个质量非常大的星系来充当透镜。这个‘透镜’的引力会使隐藏在其后面的天体(类星体)发出的光线发生偏折,环绕自身弯曲,因此我们看到的是它们扭曲的影像。这被称为引力透镜效应。”

  这种弯曲可以为同一个类星体产生多个影像,每个影像的光线路径略有不同,因此到达地球的时间也不同。研究人员使用了八个这样的透镜系统,每个系统都包含一个前景星系和一个背景类星体。每当类星体变亮或变暗时,这些变化都会在多个影像中显现出来,但存在微小的延迟。

  通过精确测量这些延迟,他们可以推算出每条光路的长度。然而,仅靠时间测量还不够。为了计算膨胀速率,该团队还需要估算透镜星系内部的质量分布情况,因为透镜的形状决定了光线如何弯曲。

  他们结合了包括詹姆斯·韦伯空间望远镜在内的世界顶级望远镜拍摄的详细图像,以及星系典型质量分布的模型。将时间延迟数据和质量分布数据结合起来,使他们得以测量哈勃常数,精度约为4.5%。

  这项测量支持了在局部宇宙研究中观测到的较高膨胀速率(约每秒每百万秒差距73公里),暗示着“哈勃张力”可能反映了真实的物理现象,而不仅仅是测量误差。然而,由于不确定性依然存在(特别是关于透镜星系内部质量分布方面),科学家们尚未准备好宣布标准宇宙学模型被打破。

  更趋一致但尚未确证

  这些发现强化了一种观点,即哈勃张力并非仅仅是测量误差,而可能反映了当前理论无法解释的真实物理现象。

  例如,如果宇宙在过去以不同于标准宇宙学预测的方式膨胀,或者如果某种未知形式的能量或粒子起了作用,这可能迫使科学家重写大爆炸模型的部分内容。

  然而,研究人员强调,仍有大量工作要做。他们面临的主要局限是透镜星系内部质量分布的不确定性;即使是很小的偏差也会改变最终数值。他们还需要更大的样本量。八个系统不足以达到明确判定是否需要新物理的所需精度(1%至2%)。

  研究作者之一、东京大学博士后研究员Eric Paic表示:“目前,我们的精度约为4.5%,为了真正将哈勃常数锁定在能够明确证实哈勃张力的水平,我们需要达到约1-2%的精度。”

  他们的下一步是增加时间延迟透镜的数量,收集更清晰的图像,并排除任何剩余的误差来源。随着新型强大的望远镜投入使用,研究作者相信这种方法很快能提供更精确的测量结果。

  Paic说:“这项工作的主要焦点是改进我们的方法论,现在我们需要增加样本量以提高精度,并最终解决哈勃张力问题。”

  该研究已发表在《天文学与天体物理学》期刊上。

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