韦伯望远镜对宇宙膨胀的最大规模研究证实了对宇宙理论的挑战

Josiah02

詹姆斯韦伯太空望远镜的新观测表明，宇宙的一个新特征——而不是望远镜测量的缺陷——可能是十年来宇宙膨胀速度比数十亿年前的婴儿期更快的谜团的背后原因。
新数据证实了哈勃太空望远镜对附近恒星和星系之间距离的测量，为解决宇宙神秘膨胀测量不一致问题提供了至关重要的交叉检验。这种差异被称为哈勃张力，即使是最好的宇宙学模型也无法解释。
“观测到的宇宙膨胀率与标准模型预测之间的差异表明，我们对宇宙的理解可能并不完整。现在，两台 NASA 旗舰望远镜正在相互证实彼此的发现，我们必须非常认真地对待这个 [哈勃张力] 问题——这是一个挑战，但也是一个了解宇宙的绝佳机会，”诺贝尔奖获得者、主要作者亚当·里斯 (Adam Riess) 说道，他是彭博社杰出教授和约翰霍普金斯大学物理学和天文学托马斯·巴伯教授。
该项研究发表在《天体物理学杂志》上，以里斯获得诺贝尔奖的发现为基础，即由于一种神秘的“暗能量”弥漫在恒星和星系之间的广阔空间中，宇宙的膨胀正在加速。
里斯的团队使用了韦伯望远镜在太空中最初两年收集的最大样本数据来验证哈勃望远镜对宇宙膨胀率的测量结果，这个数字被称为哈勃常数。
他们使用了三种不同的方法来测量超新星所在星系的距离，重点关注哈勃望远镜先前测量的距离，并已知可以产生最精确的“局部”测量值。
两台望远镜的观测结果非常接近，表明哈勃的测量是准确的，并且排除了足以将张力归咎于哈勃误差的误差。
然而，哈勃常数仍然是一个谜，因为基于对当前宇宙的望远镜观测而进行的测量产生的值比使用“标准宇宙学模型”所做的预测要高，“标准宇宙学模型”是一个被广泛接受的宇宙运作框架，它利用宇宙微波背景（大爆炸遗留下来的微弱辐射）的数据进行校准。
虽然标准模型得出的哈勃常数约为每秒每百万秒差距 67-68 公里，但基于望远镜观测的测量结果通常给出更高的值，即 70 到 76，平均值为 73 公里/秒/百万秒差距。
这种不匹配困扰了宇宙学家十多年，因为 5-6 公里/秒/百万秒差距太大，无法用测量或观察技术缺陷来解释。（百万秒差距是巨大的距离。每百万秒差距为 326 万光年，而一光年是光在一年内传播的距离：9.4 万亿公里，或 5.8 万亿英里。）
里斯团队报告称，由于韦伯的新数据排除了哈勃测量中的重大偏差，哈勃的紧张关系可能源于未知因素或宇宙学家对尚未发现的物理学理解的差距。
参与这项研究的约翰霍普金斯大学研究生李思阳说：“韦伯数据就像是第一次以高清方式观察宇宙，确实提高了测量的信噪比。”
这项新研究覆盖了哈勃整个星系样本的约三分之一，以已知的 NGC 4258 星系距离为参考点。尽管数据集较小，但该团队取得了令人印象深刻的精度，测量结果之间的差异不到 2%——远小于哈勃张力差异的约 8-9%。
除了分析被称为造父变星的脉动恒星（这是测量宇宙距离的黄金标准）之外，研究小组还对基于富碳恒星和同一星系中最亮的红巨星的测量结果进行了交叉核对。
韦伯观测到的所有星系及其超新星都产生了 72.6 公里/秒/Mpc 的哈勃常数，与哈勃对同一星系发现的 72.8 公里/秒/Mpc 的值几乎相同。
该研究包括来自两个独立工作的团队的韦伯数据样本，以改进哈勃常数，一个来自 Riess 的 SH0ES 团队（超新星，H 0，代表暗能量状态方程），一个来自卡内基 - 芝加哥哈勃计划，还有其他一些团队。
综合测量结果可以最精确地测定使用哈勃望远镜造父变星测量的距离的准确性，这对于确定哈勃常数至关重要。
虽然哈勃常数对太阳系、地球或日常生活没有实际影响，但它揭示了宇宙在极大尺度上的演化，其中广阔的空间本身正在拉伸并将遥远的星系彼此推开，就像发酵面团中的葡萄干一样。
它是科学家用来绘制宇宙结构、加深对大爆炸后 130 至 140 亿年宇宙状态的理解以及计算宇宙其他基本方面的关键值。
约翰霍普金斯大学的宇宙学家马克·卡米奥科夫斯基 (Marc Kamionkowski) 表示，解决哈勃张力问题可以揭示近年来发现的与标准宇宙模型的更多差异的新见解。他曾参与计算哈勃常数，最近还帮助提出了对哈勃张力的新解释。
标准模型解释了星系的演化、大爆炸以来的宇宙微波背景、宇宙中化学元素的丰度以及许多其他基于已知物理定律的关键观测结果。然而，它并没有完全解释暗物质和暗能量的性质，据估计，暗物质和暗能量是宇宙中神秘的组成部分，占宇宙构成和加速膨胀的 96%。
未参与此项新研究的卡米奥科夫斯基表示：“哈勃望远镜观测结果出现矛盾的一个可能解释是，我们对早期宇宙的理解中缺少了一些东西，比如一种新的物质成分——早期暗能量，它在大爆炸后给了宇宙意想不到的推动。”
“还有其他理论，比如有趣的暗物质特性、奇异粒子、变化的电子质量或原始磁场也可能产生效果。理论家们可以发挥创造力。”