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天辰测速登陆膨胀的宇宙可能不取决于你如何测

 



关于宇宙最令人困惑的一个事实是,测量它膨胀速度的不同方法产生的结果不同。这并不是说有两种方法来衡量它,他们不同意;而是可能有十多种不同的测量方法,它们会产生两套不同的结果。它们都需要一个充满正常物质、暗物质和暗能量的宇宙,但它们的首选值相差约9%:远远大于所涉及的不确定性。
 
目前还没有找到可以解释这一差异的误差来源,天辰娱乐登陆两组结果都有多条独立的证据。然而,最近,一个关于宇宙膨胀率的非常聪明的新测试被设计出来并加以利用,它似乎提供了一个前所未有的线索:相同的测试在后期和早期的价值不同。也许膨胀的宇宙取决于你何时测量它,而不是如何测量。
 
表观膨胀率(y轴)与距离(x轴)的关系图与宇宙是一致的。[+]这在过去扩张得更快,但如今遥远的星系在衰退中也在加速。这是哈勃望远镜的现代版本,比它的原始版本扩展了数千倍。注意,这些点并不形成一条直线,这表明了膨胀率随时间的变化。事实上,宇宙遵循着它所遵循的曲线,这表明了暗能量的存在,以及它在晚期的支配地位。
 
大约十年前,有三套独立的测量方法,它们都以全面、互补但独立的方式揭示了宇宙的属性:
 
他们的测量都有不确定性,但他们都是一致的,产生了一个宇宙大约5%的正常物质,25%的暗物质,70%的暗能量,和一个膨胀率,今天,大约是71千米/秒/秒。
 
对来自三个独立来源的暗能量的约束:超新星、宇宙微波背景辐射和包(它们是一个……[+]宇宙大尺度结构的特征。请注意,即使没有超新星,我们也需要暗能量,而且发现的物质中只有六分之一是正常物质;剩下的一定是暗物质。这张2011年的图表给我们提供了一些空间,让我们知道膨胀率和各种成分的密度是多少。

这些值的变化是允许的,在不同的参数之间有一点回旋的余地,在所有的观测之间是一致的。但是,随着这些不同技术的科学得到更好的理解,数据随着越来越精确的观测和更大的数据集得到改善,一些谜题开始出现。
 
首先,随着普朗克卫星的最终结果的出现,宇宙微波背景的结果变得更加精确。波动的模式,对应于:
 
最初的种子波动被宇宙膨胀压低,
 
它们通过万有引力和正常物质与辐射的相互作用而进化,
 
以及信号在稠密的早期宇宙中的传播速度,
 
产生了一个连贯的画面,它倾向于一个较低的值,天辰测速登陆今天的膨胀率:67公里/秒/Mpc。
 
宇宙微波背景辐射的最佳图以及暗能量的最佳约束条件以及哈勃望远镜的参数。我们……[+]根据这个和其他的证据,我们可以得到一个宇宙,其中暗能量占68%,暗物质占27%,正常物质只占5%,最佳膨胀速率为67 km/s/Mpc。
 
自大爆炸以来,只有来自宇宙不同部分的信号有时间感受彼此的影响时,引力坍缩才会发生。正如光只能以有限的速度(光速)穿过宇宙一样,重力也受到其自身宇宙速度极限的限制:重力的速度,已被证明与光速相等。
 
在宇宙微波背景辐射被宇宙中的辐射“弹回”之前,这些波动出现的最大量值与物质发生坍缩的最大量值相对应。在略小于1度的角度范围内,它对应于一个特定的物理范围,在这个物理范围内,我们更有可能找到一个距离另一个星系特定距离的星系,而不是更近或更远的星系。我们称它为声标度,今天它相当于大约5亿光年的距离。
 
重子声学振荡引起的聚类模式的一个例证,其中…在距离其他星系一定距离的地方发现一个星系是由暗物质和正常物质的关系决定的。当宇宙膨胀时,这个特征距离也会膨胀,这使得我们能够测量哈勃常数,暗物质密度,甚至标量光谱指数。结果与宇宙微波背景辐射的数据一致,宇宙由27%的暗物质组成,而不是5%的正常物质,其膨胀速度约为67公里/秒/秒。
 
那么,这个谜团的第二部分,就是在宇宙微波背景中留下的早期声波尺度信号与星系集群的晚期信号之间的联系。这些大规模的结构特征,当你把所有的数据放在一起,也显示出与宇宙微波背景的测量一致,有利于67-68公里/秒/Mpc的膨胀率。

但这个难题的第三部分,包括直接测量距离和单个物体的红移,在过去的十年里已经变得非常精确。传统方法使用所谓的宇宙距离阶梯,最好的测量方法来自:
 
测量视差是为了获得到单个恒星的距离,
 
个别恒星是在附近的星系中测量的,这些星系中也有Ia型超新星,
 
Ia型超新星然后被测量到整个宇宙,
 
产生一个更高的值:73-74 km/s/Mpc,只有2%的不确定性。
 
宇宙距离阶梯的构建包括从我们的太阳系到恒星到……[+]近处的星系到远处的星系。每一个“步骤”都有其自身的不确定性,但通过许多独立的方法,任何一个梯级,如视差、造父变星或超新星,都不可能导致我们所发现的全部差异。虽然推断出的膨胀率可能偏向于更高或更低的值,如果我们生活在一个低密度或高密度的地区,需要解释这个谜题的数量被排除在观测。有足够多的独立方法用于构建宇宙距离阶梯,我们再也不能合理地错误地把阶梯上的一个“横档”作为不同方法之间不匹配的原因。
 
在过去的几年里,大量的其他证据通过使用不同的方法来测量单个物体的距离和红移。不同的距离指标包括:
 
用遥远星系的表面亮度波动代替Ia型超新星,
 
用红巨星分支顶端的恒星代替造父变星,
 
用类星体的引力透镜作为完全独立的方法,
 
或者使用几何距离测量到拥有天文现象的星系,这些天文现象被称为超级星系。
 
值得注意的是,每一个结果似乎都与距离阶梯测量值一致,其结果在72-76 km/s/Mpc之间,没有一组测量值更倾向于67 km/s/Mpc的较低值。
 
值得注意的是这种差异的测量类型导致的低价值锚定在宇宙的早期阶段,基于暗物质的物理相互作用,正常物质,和辐射100000年前几大爆炸以来,虽然那些导致更高的价值是基于直接测量从我们的角度看远处的物体。虽然人们提出了许多假设来解释这一现象,但还没有人直接探究早期和晚期测量数据之间的膨胀率差异。
 
但在2020年1月29日,一篇新论文发表,明确使用了早期的技术之一——宇宙的大尺度结构——并将自己限制在没有早期宇宙锚点的情况下,只测量晚期时间。他们发现了一个有趣的现象:测量到的膨胀速率为72.3±1.9 km/s/Mpc,与其他后期测量结果一致。
 
在巨大的星系团和宇宙细丝之间是巨大的宇宙空洞,其中一些……[+]的直径可达数亿光年。当星系、类星体和空隙都是相互关联的,它可以帮助改善各种测量技术之间的紧张关系,这些测量技术提供了关于宇宙膨胀的见解。
 
这篇新论文最大的成就是考虑了宇宙空隙的影响:宇宙网络的各股之间存在的巨大而巨大的真空区域,这些区域描绘了我们宇宙的大尺度结构。凭借这项新技术,宇宙的大规模结构为暗能量提供了压倒性的证据——其显著性超过10西格玛,甚至比超新星还要大——完全独立于宇宙微波背景。
 
然而,最值得注意的是,在没有其他测量或假设因素的情况下,聚集在附近的晚期宇宙中的星系和类星体更倾向于73.7 km/s/Mpc的膨胀速率,尽管其不确定度约为4-5%。加入孔隙度测量值会略微降低测量值,但极大地降低了不确定度:达到72.3 km/s/Mpc,不确定度为2.6%。
 
然而,加上那些聚集在超遥远的早期宇宙的星系和类星体,这个数值就会下降到:69.0 km/s/Mpc,不确定度为~1.7%,这很有趣,原因有二。
 
这表明,在重构宇宙膨胀率时,考虑宇宙空隙的测量是非常重要的,因为没有这些空隙的大规模结构测量给出了67.6 km/s/Mpc,而包含这些空隙的新分析得出的结果要高出约2.1%。
 
它表明,如果你只测量相对较近的宇宙的膨胀率,你会得到一个系统更高的膨胀率,而不是使用全套数据,即使使用相同的技术。
 
尽管同一篇论文没有发现暗能量随时间进化的证据,但它是这个正在进行的宇宙传奇的另一个引人入胜的线索。
 
如图所示,随着时间的推移,暗能量演化的约束条件显著改善。[+]在先前的分析中包含了宇宙空隙(橙色),而之前的分析并没有包含这些空隙(蓝色)。需要注意的是,暗能量是一个不变的宇宙常数,它对应的y轴值为0,x轴值为-1,这与数据完全一致。
 
当然,测量膨胀宇宙的不同方法给出的值是不同的,但这是同一方法第一次产生两种不同的结果,这取决于你是看完整的数据集还是只看后期的测量结果。宇宙的膨胀率一直是现代科学中最具争议性的问题——哈勃太空望远镜甚至被命名为其主要科学目标速度的测量,也被称为哈勃常数,这个新的结果提供了一个重要线索。
 
在所有的测量中,是否都能考虑到宇宙空间的影响来解释完全的差异?我们是否能看到一些证据,表明某些东西,即使不是暗能量,也在以一种意想不到的方式在宇宙中进化?或者,很有可能,这是宇宙微波背景数据在某种程度上是错误的?有一件事是明确的:欧几里德、LSST和WFIRST应该提供更多更好的数据,这将帮助我们做出决定。

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