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爱因斯坦的引力透镜能够弄清关于世界胀大的争辩
2019-10-31 22:12:51

一项新的研究发现,时空结构中的扭曲可以起到放大镜的作用,这可能有助于解开宇宙膨胀速度的宇宙之谜。

  • 上图:在哈勃太空望远镜对遥远的类星体RXJ1131-1231的这张照片中,一个前爱因斯坦的引力透镜能够弄清关于世界胀大的争辩景星系将背景类星体的图像涂抹成一个明亮的弧线(左),并产生了总共四幅图像——这一现象被称为引力透镜现象。

研究人员说,这项研究有朝一日可能会产生更精确的宇宙模型,从而可以揭示宇宙的最终命运。

宇宙自诞生以来一直在膨胀,大约是138亿年前。通过测量目前宇宙膨胀的速度,也就是哈勃常数,科学家们可以试图了解宇宙的命运,比如宇宙是否会永远膨胀、自毁或完全分裂。

目前测量哈勃常数有两种主要方法。其中一个是监测附近的天体,科学家们很清楚这些天体的性质,例如被称为超新星的恒星爆炸和被称为造父变星的脉动恒星,以估计它们的距离。另一个聚焦于宇宙微波背景,即大爆炸遗留下来的辐射,研究它是如何随时间变化的。

然而,这两种技术对于哈勃常数的值产生了两种不同的结果。来自宇宙微波背景的数据表明,宇宙正在以每秒41.9英里(67爱因斯坦的引力透镜能够弄清关于世界胀大的争辩.5公里)的速度以每百万秒差距(相当于326万光年的距离)膨胀。然而,来自附近宇宙中的超新星和造父变星的数据显示,每兆帕秒的速度约为46英里(74公里)。

这种差异表明,标准的宇宙学模型——科学家目前对宇宙结构和历史的理解——可能是错误的。解决这场被称为哈勃常数持续冲突的争论,可以为宇宙的演化提供线索。

在这项新的爱因斯坦的引力透镜能够弄清关于世界胀大的争辩研究中,一个国际研究小组探索了另一种测量哈勃常数的方法。根据爱因斯坦的广义相对论,这种策略依赖于引力的定义,因为它是问水九剑时空质量扭曲的结果。物体的质量越大,物体周围的时空曲线就越多,因此物体的引力就越大。

这意味着引力也可以像透镜一样弯曲光线,因此通过强大的引力场(如由大质量星系产生的引力场)看到的天体会被放大。引力透镜是在一个世纪前被发现的,而今天,天文学家们经常使用这些透镜来观察距离遥远、光线太弱的特征,即使是最大的望远镜也无法探测到。

这项新的研究分析了引力透镜来估计它们与地球的距离,这些数据可以帮助研究人员估计宇宙随时间膨胀的速度。

如图所示,当来自较远星系或类星体的光被地球视线中较近物体的引力扭曲时,就会出现引力透镜。

“新方法在测量哈勃常数方面有很大潜力提供独特的视角,”该研究的主要作者、德国加兴马克斯普朗克天体物理研究所(Max Planck Institute for Astrophysics)前天体物理学家Inh Jee告诉媒体。

估计引力透镜与地球之间距离的一个关键取决于引力透镜的一个奇特特性:它经常产生透镜周围天体的多重图像,从而产生所谓的“爱因斯坦十字”。因为产生这些图像的光沿着透镜爱因斯坦的引力透镜能够弄清关于世界胀大的争辩周围的长度不同,被透镜物体亮度的任何变化都会在一些图像中先于其他图像可见。透镜的质量越大,光的弯曲度就越大,因此图像观测之间的时间差就越大。科学家可以利用这些细节来估计透镜的引力场强度,从而估计其质量。

  • 上图:这张哈勃太空望远镜的图像,被称为“爱因斯坦十字”,显示了一个遥远的类星体的四幅图像,这个类星体被附近的一个星系作为引力透镜所倍增。

然后,这个质量可以输入到用于估计距离的计算中。但是科学家首先需要一个额外的关键测量。

这张哈勃太空望远镜的图像,被称为“爱因斯坦十字”,显示了一个遥远的类星体的四幅图像,这个类星体被附近的一个星系作为引力透镜所倍增。

估计引力透镜星系与地球的距离的另一个关键是分析透镜中恒星的位置和速度。当这些细节与对透镜星系的质量和引力场强度的估计结合起来时,科学家可以估计透镜星系的实际直径。

然后,他们可以将透镜星系的实际直径与其从地球上看到的表观直径进行比较。这些数值之间的差异,可以帮助研究人员估计一个给定大小的星系,必须有多远才能显示出它离地球的大小。

研究人员将这项技术应用于两个引力透镜系统。在他们的研究结果中,科学家们得出了哈勃常数,其值约为每秒51.2英里(82.4公里)。尽管这个值比哈勃常数的两个更为确定的值都要高,jee 注意到这个方法仍然有很高的不确定性。她说,随着更多的数据带来更大的确定性,这种技术最终可能会偏向一个或另一个既定的价值,或者它确实可能会导致不同的第三个价值。

Jee说:“由于这是一种不确定度很大的新方法,我们还有很大的改进空间。”为了使这种方法的精度达到与其他方法相当的水平,我们需要更好地测量透镜星系中恒星的运动。”

与基于宇宙微波背景测量哈勃常数的策略相比,这项新技术提供了一个潜在的优势:Jee说,后者严重依赖几种相互竞争的宇宙模型之一,这些模型用于预测宇宙随时间的演化,而这种新方法则不这样。与基于邻近超新星和造父变星测量哈勃常数的方法相比,这种方法提供了另一个优势:在这方法中,如果邻近环境与较远的环境有显著的差异,那么对邻近物体距离的测量可能会被取消,Jee补充说。。

马克斯普朗克天体物理研究所(Max Planck Institute for Astrophysics)的研究合著者雪莉•苏宇(Sherry Suyu)在接受媒体采访时说:“在不久的将来,我们将拥有数十种新的透镜系统,这将使我们能够大幅降低测量不确定度。”

Jee、苏宇(Suyu)和他们的同事在9月13日的《科学》杂志上详细介绍了他们的发现。