引力透镜可能是更好地估计宇宙膨胀的关键

宇宙正在膨胀,但是天体物理学家不确定究竟膨胀的速度有多快-不是因为没有答案,而是因为他们可能给出的答案不一致。现在,斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室的卡夫里粒子物理与天体物理研究所的博士后研究员Simon Birrer和一个国际研究人员团队有了一个新的答案,一旦有了更多数据,该答案可能会有所帮助。解决辩论。

这个新的答案是重新研究具有数十年历史的方法称为时延宇宙学的结果,该方法具有新的假设和附加数据,以得出对哈勃常数的新估计,该估计是对宇宙膨胀的一种度量。Birrer及其同事于11月20日在《天文学与天体物理学》杂志上发表了他们的研究结果。

Birrer说:“这是一个大型团队十年来巨大成功的努力的延续,我们在分析的某些关键方面进行了重新设置,并提醒我们,我们应该始终重新考虑我们的假设。我们的最新工作正是本着这种精神。”

距离,速度和声音

宇宙学家近一个世纪以来就知道宇宙正在膨胀,并且在那时,他们已经确定了两种主要方法来测量这种膨胀。一种方法是宇宙距离阶梯,这是一系列步骤,可帮助估计距遥远超新星的距离。通过检查这些超新星发出的光谱,科学家可以计算出它们从我们后退的速度,然后除以距离即可估算出哈勃常数。(哈勃常数通常以每秒兆帕秒的千米数为单位,反映了空间本身正在增长的事实,因此距离较远的物体比距离较近的物体更快地退离我们。)

天体物理学家还可以根据宇宙微波背景辐射或CMB中的波动估算常数。这些波纹是由声波在早期宇宙中通过等离子体传播而产生的。通过测量涟漪的大小,他们可以推断出我们今天看到的CMB灯是多久之前以及距离多远。利用成熟的宇宙学理论,研究人员可以估算出宇宙膨胀的速度。

但是,两种方法都有缺点。声波方法在很大程度上取决于声音在早期宇宙中的传播方式,而后者又取决于当时特定类型的物质混合,声波在其烙印到CMB上之前传播了多长时间,以及对声波的假设。自那时以来,宇宙膨胀。同时,宇宙距离阶梯方法将一系列估计值链接在一起,从雷达估计到太阳的距离和视差估计到脉动星的距离(即造父变星)开始。这就引入了一系列的校准和测量,每个校准和测量都必须足够精确,以确保可靠地估计哈勃常数。

过去的镜头

但是,有一种方法可以基于所谓的强重力透镜来更直接地测量距离。引力本身会弯曲时空,光会通过它穿过宇宙。一种特殊情况是,非常大的物体(例如银河系)将遥远物体的光线弯曲,从而使光线沿多个不同路径到达我们,从而有效地创建了同一背景物体的多个图像。一个特别美丽的例子是远处的物体随时间变化时,例如,像超星体一样,积聚了超大质量黑洞。因为光线沿着绕着镜头星系的每个路径传播的时间量略有不同,所以结果是同一闪烁的多个略微不同步的图像。

这种现象不仅仅是漂亮的。早在1960年代,爱因斯坦的重力理论,广义相对论的学生就表明,他们可以使用结实的引力透镜和弯曲的光线来更直接地测量宇宙距离-如果他们可以精确地测量沿每条路径的相对时间,并且他们知道镜头星系中的物质分布情况。

比勒说,在过去的十年中,测量变得足够精确,可以采用这种方法,即从概念到现实的时延宇宙学。H0LiCOW,COSMOGRAIL,STRIDES和SHARP团队(现已由TDCOSMO联合组织)进行了连续测量,并做出了不懈的努力,最终实现了精确的哈勃常数测量,速度约为每秒73英里每秒/兆帕,精确度为2%。这与使用局部距离阶梯法进行的估计是一致的,但与标准宇宙学模型假设下的宇宙微波背景测量值存在矛盾。

星系质量分布假设

但是Birrer并不满意:先前研究所依赖的星系结构模型可能不够准确,无法得出哈勃常数与基于宇宙微波背景的估计不同的结论。比勒说:“我去找同事说,'我想进行的研究不依赖那些假设。”

取而代之的是,比勒(Birrer)提议研究一系列附加的引力透镜,以对透镜星系的质量和结构进行更多基于观察的估计,以代替先前的假设。新途径Birrer和团队TDCOSMO故意处于盲目状态-意味着整个分析是在不知道哈勃常数的结果的情况下进行的-为了避免实验者的偏见,该过程在团队先前的分析中已经建立比尔说,这是向前迈进的重要组成部分。

基于这项新的分析,该团队在先前的研究中对七个透镜星系进行了稍有延迟的假设,但该研究团队却延迟了时间,该团队得出了更高的哈勃常数值,约为每秒74公里/兆视差,但不确定性更大-足够使它们的值与哈勃常数的高低估计值一致。

但是,当Birrer和TDCOSMO添加了33个具有类似特性的镜头(但没有直接用于时延宇宙学的可变源)用于估算银河结构时,哈勃常数的估算值下降到了每秒约67 km / megaparsec,不确定性为5%,与声波估计(如CMB的估计)非常吻合,但在统计上也与先前的确定一致。

比雷尔说,这种重大转变并不意味着关于哈勃常数值的争论已经结束了—远非如此。一方面,他的方法将新的不确定性引入了与添加到分析中的33个附加透镜相关的估计中,并且TDCOSMO将需要更多数据来确认其结果,尽管该数据可能不会遥遥无期。比勒:“虽然我们的新分析并未从统计学上使我们先前工作的质量分布假设无效,但它表明了了解星系中质量分布的重要性,”他说。

“我们现在正在收集数据,这些数据将使我们能够基于更强的假设获得以前获得的大部分精度。再往前看,我们还将获得来自鲁宾天文台太空遗产调查的更多镜头星系的图像我们现在的分析只是第一步,为利用这些即将到来的数据集提供关于剩余问题的明确结论铺平了道路。”

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