宇宙在膨胀,这是一个令人惊叹的事实。但是,它到底有多快呢?这个问题却让天文学家们陷入了困境。因为他们用不同的方法测量出了不同的答案。这就像两个人用不同的尺子量一样长的木头,却得到了不同的结果。这到底是怎么回事呢?是不是有什么我们还不知道的东西在影响着宇宙的膨胀呢?还是我们的测量方法有什么问题呢?现在,一些聪明的天体物理学家提出了一个新颖的方法,可能有助于解决这个谜团。
为了理解这个问题,我们先要回顾一下宇宙膨胀的历史。大约100年前,一个叫埃德温·哈勃的天文学家发现了一个惊人的现象:远方的星系都在远离我们,而且距离我们越远的星系,远离我们的速度越快。这就像一个气球被吹大了,上面画着点点的情况。当气球膨胀时,点点之间的距离也会增加,而且距离气球中心越远的点点,移动的速度也越快。
哈勃用他观测到的星系的速度和距离,计算出了一个数字,叫做哈勃常数。这个数字表示了宇宙膨胀的速率,也就是每增加一定距离,星系之间移动的速度会增加多少。哈勃常数是一个非常重要的数字,因为它可以告诉我们宇宙有多大、多老、以及由什么组成。
哈勃常数以“速度除以距离”的形式表示,并且每百万光年略高于20公里/秒。这意味着距离我们1亿光年的星系以每秒2000公里远离我们,而距离我们2亿光年的另一个星系以每秒4000公里远离我们。
但是,哈勃常数并不是一个固定不变的数字。随着科技和观测手段的进步,天文学家们用更精确和更多样化的方法来测量它。其中最常用和最可靠的两种方法分别是超新星法和背景辐射法。
超新星法是基于哈勃最初使用的方法改进而来的。超新星是一种特殊类型的恒星爆炸,可以在短时间内发出比整个星系还亮的光芒。超新星有一个特点,就是它们发出的光量都差不多相同。所以,通过比较超新星发出和到达地球的光量,就可以计算出超新星所在星系距离我们有多远。然后再结合超新星所在星系远离我们的速度,就可以计算出哈勃常数。
背景辐射法则是基于一种更古老更微弱的光源:宇宙微波背景辐射。这是一种遍布整个宇宙的微波信号,是大爆炸后留下的痕迹。这种背景辐射并不是完全均匀的,而是有一些细微的起伏和波动。这些波动反映了宇宙早期的密度和温度的分布,也影响了后来星系的形成和分布。通过分析背景辐射的波动,就可以推断出宇宙的膨胀历史,从而计算出哈勃常数。
这两种方法听起来都很合理,但是问题来了:它们给出的哈勃常数却不一样。超新星法得到的是22.7 +/- 0.4公里/秒,而背景辐射法得到的是20.7 +/- 0.2公里/秒。这个差异看似微小,但是却超出了测量误差的范围。这就像两个人用不同的尺子量一样长的木头,却得到了不同的结果。这到底是怎么回事呢?
有可能是我们的测量方法有什么问题,比如超新星发出的光量并不完全相同,或者背景辐射的波动受到了其他因素的干扰。也有可能是我们对宇宙的理解有什么缺陷,比如宇宙中存在着一些我们还不知道的物质或力量,影响了宇宙的膨胀速率。无论如何,这个“哈勃麻烦”都需要我们找到一个新的方法来解决。
碰撞中子星或许能揭开谜底在寻找新方法的过程中,一些聪明的天体物理学家发现了一个新的光源:千新星。千新星是两颗中子星相互碰撞后产生的一种强烈而短暂的爆炸。中子星是一种非常奇特的天体,它们是超新星爆炸后留下的核心,密度极高,直径只有几十公里,但质量却相当于太阳的几倍。当两颗中子星相互靠近并最终合并时,它们会释放出巨大的能量和物质,形成一个金属元素丰富的火球,这就是千新星。
千新星虽然没有超新星那么亮,但是却有一个优点:它们非常对称。也就是说,无论你从哪个角度看千新星,它们都发出相同量的光。这使得天文学家可以更容易地计算出千新星发出和到达地球的光量之比,从而推算出千新星所在星系距离我们有多远。然后再结合千新星所在星系远离我们的速度,就可以计算出哈勃常数。
达拉奇·沃森是哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所宇宙黎明中心的副教授,也是这项研究的合著者。他说:“超新星法和背景辐射法都有一些复杂和不确定的因素,比如超新星发出的光量并不完全相同,而且还需要用另一种恒星来校准距离。而千新星法则更加简单和对称,不需要任何校准或修正。这就像用一个标准的尺子来量木头,不用担心尺子有什么缺陷或误差。”
为了验证这个方法的有效性,天体物理学家们将它应用于2017年发现的一颗千新星。这是人类历史上第一次观测到中子星的碰撞,也是第一次观测到千新星。这颗千新星位于一个距离我们1.3亿光年的星系中,它的发现引起了全世界天文学家的关注和兴奋。通过分析千新星的光谱和速度,天体物理学家们计算出了一个哈勃常数,大约是21.4 +/- 1.2公里/秒。
这个结果比较接近背景辐射法得到的结果,而不是超新星法得到的结果。这是否意味着背景辐射法更可靠,而超新星法有什么问题呢?还是说千新星法也有什么不足之处呢?要回答这些问题,我们还需要更多的数据和证据。因为目前我们只有一个千新星的例子,而且它的测量误差也不小。我们需要观测更多的中子星碰撞和千新星,才能得到一个更稳定和更精确的哈勃常数。
阿尔伯特·斯内本是这项研究的主要作者,他说:“我们的方法至少避开了一些已知的不确定性来源,并且是一个非常‘干净’的系统来研究。它不需要校准,也不需要修正因子。但是我们还不能确定它是否能解决哈勃麻烦,我们还需要更多的观测和分析。”
千新星法是一种有前途的方法,它可能能揭开宇宙膨胀速率的谜底。但是它也面临着一些挑战和困难。比如,中子星碰撞和千新星并不常见,在浩瀚的宇宙中,很难及时发现和跟踪到这种现象。
而且,千新星虽然对称,但也可能受到其他因素的影响,比如周围环境或其他波长的辐射。所以,我们还不能完全相信千新星法给出的结果,也不能完全否定其他方法给出的结果。
也许在某一天,我们会找到一个让所有方法都一致的答案,那时,我们的宇宙科学将会出现新的变化,人类距离征服星辰大海将会更进一步。