桑間濮上網(wǎng)韋伯證實了哈勃測量的宇宙膨脹率的準(zhǔn)確性，加深了哈勃常數(shù)張力之謎
美國宇航局的證實宙膨脹率張力之謎NIRCam(近紅外相機(jī))和哈勃的WFC3(寬視場相機(jī)3)的綜合觀測顯示了螺旋星系NGC 5584，它距離地球7200萬光年。哈勃哈勃NGC 5584的測量常數(shù)發(fā)光恒星中有被稱為造父變星的脈動恒星和Ia型超新星，這是宇的準(zhǔn)一類特殊的爆炸恒星。天文學(xué)家使用造父變星和Ia型超新星作為可靠的確性距離標(biāo)記來測量宇宙的膨脹率。鳴謝:uux.cn/美國航天局、加深歐空局、韋伯加空局和A. Riess (STScI)。
美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡提供了新的能力來仔細(xì)檢查和提煉這種緊張關(guān)系的一些最強有力的觀測證據(jù)。來自約翰·霍普金斯大學(xué)和太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的重慶美女快餐外圍上門外圍女（電話微信199-7144=9724）提供1-2線熱門城市快速安排30分鐘到達(dá)諾貝爾獎獲得者亞當(dāng)·里斯介紹了他和他的同事們最近利用韋伯觀測提高哈勃常數(shù)局部測量精度的工作。
“你有沒有努力去看清你視野邊緣的一個標(biāo)志？上面寫了什么？這是什么意思？即使使用最強大的望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家想要讀取的“跡象”也顯得如此之小，以至于我們也難以分辨。
“宇宙學(xué)家想要讀取的符號是一個宇宙速度極限符號，它告訴我們宇宙膨脹的速度——一個叫做哈勃常數(shù)的數(shù)字。我們的星座被寫在遙遠(yuǎn)星系的星星上。這些星系中某些恒星的亮度告訴我們它們有多遠(yuǎn)，因此這種光傳播了多長時間才能到達(dá)我們這里，星系的紅移告訴我們宇宙在這段時間內(nèi)膨脹了多少，從而告訴我們膨脹率。
圖名為“近紅外中不擁擠的造父變星”左圖:一個螺旋星系的彩色圖像被標(biāo)記為“NGC 5584(韋伯NIRCam +哈勃WFC3)”旋臂的一部分用一個方框勾勒出來。盒子里面是一個紅色的實心圓圈。中間:一組兩個圖表，顯示了方框區(qū)域的放大視圖。上圖顯示哈勃指向一個大的透明盒子。底部的長邊標(biāo)記為“深度”盒子里有許多重疊的大小不同的藍(lán)綠色球體，中間有一個紅色球體。下圖顯示韋伯指向一個幾乎相同的盒子。這個盒子里的球體要小得多，重疊部分也少。紅色的球標(biāo)著“造父變星”右圖:兩幅正方形灰度圖像。頂部標(biāo)有“HST WFC3-IR”底部標(biāo)有“JWST·尼卡姆”頂部圖像中的像素明顯大于底部圖像中的像素。下圖中的黑點更小、更明顯、數(shù)量更多。這張圖表顯示了美國宇航局的哈勃和韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在確定一類特殊變星的精確距離方面的聯(lián)合力量，這類變星用于校準(zhǔn)宇宙的膨脹率。這些造父變星可見于擁擠的星域。來自周圍恒星的光污染可能會降低對造父變星亮度的測量精度。韋伯更敏銳的紅外視覺使得造父變星目標(biāo)更清晰地從周圍的恒星中分離出來，如圖右側(cè)所示。韋伯的數(shù)據(jù)證實了30年來哈勃對造父變星的觀測的準(zhǔn)確性，這些觀測對于建立測量宇宙膨脹率的宇宙距離階梯的底部至關(guān)重要。在左邊，NGC 5584是由韋伯的NIRCam(近紅外照相機(jī))和哈勃的寬視場照相機(jī)3合成的。圖片鳴謝:uux.cn/NASA，ESA，A. Riess (STScI)，W. Yuan (STScI)。
“一類特殊的恒星，造父變星，給了我們一個多世紀(jì)以來最精確的距離測量，因為這些恒星異常明亮:它們是超巨星，亮度是太陽的十萬倍。更重要的是，它們在數(shù)周的時間內(nèi)脈動(即大小膨脹和收縮)，這表明了它們的相對亮度。周期越長，它們本身就越亮。它們是測量一億光年或更遠(yuǎn)的星系距離的黃金標(biāo)準(zhǔn)工具，這是確定哈勃常數(shù)的關(guān)鍵一步。不幸的是，從我們遙遠(yuǎn)的有利位置來看，星系中的恒星擁擠在一個小空間內(nèi)，因此我們經(jīng)常缺乏分辨率來將它們從它們的視線鄰居中分離出來。
“建造哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的一個主要理由就是為了解決這個問題。在哈勃1990年發(fā)射和隨后的造父變星測量之前，宇宙的膨脹速度是如此不確定，天文學(xué)家不確定宇宙是否已經(jīng)膨脹了100億或200億年。那是因為更快的膨脹速度會導(dǎo)致宇宙年齡更年輕，而更慢的膨脹速度會導(dǎo)致宇宙年齡更老。哈勃比任何地面望遠(yuǎn)鏡都有更好的可見光波長分辨率，因為它位于地球大氣模糊效應(yīng)之上。因此，它可以識別出一億多光年以外的星系中的單個造父變星，并測量它們改變亮度的時間間隔。
“然而，我們還必須在光譜的近紅外部分觀察造父變星，才能看到光線毫發(fā)無損地穿過中間的塵埃。(灰塵吸收并散射藍(lán)色的光學(xué)光線，使遠(yuǎn)處的物體看起來很微弱，并欺騙我們相信它們比實際情況更遠(yuǎn))。不幸的是，哈勃的紅光視覺沒有它的藍(lán)光敏銳，所以我們在那里看到的造父星星光與它視野中的其他恒星混合在一起。我們可以從統(tǒng)計學(xué)上計算混合的平均量，就像醫(yī)生通過從體重秤讀數(shù)中減去衣服的平均重量來計算出你的體重一樣，但這樣做會給測量增加噪聲。有些人的衣服比其他人的重。
“然而，敏銳的紅外視覺是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的超能力之一。憑借其巨大的反射鏡和靈敏的光學(xué)系統(tǒng)，它可以很容易地將造父變星的光從鄰近的恒星中分離出來，幾乎沒有混合。在韋伯與我們的一般觀測者計畫1685合作的第一年，我們收集了哈勃在宇宙距離階梯的兩個階段發(fā)現(xiàn)的造父變星的觀測資料。第一步包括在一個已知幾何距離的星系中觀察造父變星，這使我們能夠校準(zhǔn)造父變星的真實光度。在我們的節(jié)目中，這個星系是NGC 4258。第二步是觀察最近Ia型超新星的宿主星系中的造父變星。前兩個步驟的結(jié)合將傳遞到超新星的距離信息，以校準(zhǔn)它們的真實亮度。第三步是觀察那些遙遠(yuǎn)的超新星，那里的宇宙膨脹很明顯，可以通過比較從它們的亮度和超新星宿主星系的紅移推斷的距離來測量。這一系列步驟被稱為距離階梯。
“我們最近從第一步和第二步中獲得了我們的第一次韋伯測量，這使我們能夠完成距離階梯，并與哈勃之前的測量進(jìn)行比較(見圖)。由于天文臺在近紅外波長的分辨率，韋伯的測量大大減少了造父變星測量中的噪聲。這種改進(jìn)是天文學(xué)家夢寐以求的！我們在前兩級觀測到超過320個造父變星。我們證實了早期哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測量是準(zhǔn)確的，盡管噪音更大。我們還用韋伯觀測了另外四個超新星宿主，我們看到了整個樣本的類似結(jié)果。
用于測量距離的造父周期-光度關(guān)系的比較。紅點來自美國宇航局的韋伯，灰點來自美國宇航局的哈勃。頂部面板是NGC 5584，Ia型超新星宿主，插圖顯示了每臺望遠(yuǎn)鏡看到的同一造父變星的圖像。下圖是NGC 4258，這是一個已知幾何距離的星系，插圖顯示了每臺望遠(yuǎn)鏡測量的NGC 5584和NGC 4258之間距離模數(shù)的差異。這兩臺望遠(yuǎn)鏡非常一致。圖片鳴謝:uux.cn/NASA、ESA、A. Riess (STScI)、G. Anand (STScI)。
“這個結(jié)果仍然不能解釋為什么宇宙看起來膨脹得如此之快！我們可以通過觀察宇宙的嬰兒照片，宇宙微波背景來預(yù)測宇宙的膨脹速度，然后利用我們關(guān)于它如何隨著時間的推移而增長的最佳模型來告訴我們今天宇宙應(yīng)該以多快的速度膨脹。事實上，目前對膨脹速率的測量大大超過了預(yù)測，這是一個被稱為“哈勃張力”的長達(dá)十年的問題。“最令人興奮的可能性是，這種張力是我們對宇宙的理解中缺失的一些東西的線索。
“它可能表明外來暗能量、外來暗物質(zhì)的存在，修正我們對引力的理解，或者獨特粒子或場的存在。更通俗的解釋是多個測量誤差在同一個方向上合謀(天文學(xué)家已經(jīng)通過使用獨立的步驟排除了單個誤差)，所以這就是為什么以更高的保真度重做測量如此重要。隨著韋伯證實了來自哈勃的測量結(jié)果，韋伯的測量結(jié)果提供了迄今為止最強有力的證據(jù)，表明哈勃造父變星測光的系統(tǒng)誤差在目前的哈勃張力中沒有發(fā)揮重要作用。因此，更有趣的可能性仍然擺在桌面上，緊張局勢的神秘性加深了。”
編者按:這篇文章強調(diào)了一篇被《天體物理學(xué)雜志》接受的論文中的數(shù)據(jù)。
作者:
Adam Riess是約翰·霍普金斯大學(xué)的彭博杰出教授，JHU·克里格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的Thomas J. Barber空間研究教授，空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的杰出天文學(xué)家，2011年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者。
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