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宇宙如何停止有意义

哈勃太空望远镜图像显示了RS Puppis,在我们的银河系中最亮的头部可见。天体物理学家使用这样的星星来计算宇宙的扩张率。
哈勃太空望远镜图像显示了RS Puppis,在我们的银河系中最亮的头部可见。天体物理学家使用这样的星星来计算宇宙的扩张率。 (图片信用:哈勃太空望远镜/美国宇航局)

我们对宇宙产生了错误。

它可能是一个小的东西:一个测量问题,使某些星星看起来比它们更近或更远,天体物理学家可以解决一些调整它们如何测量空间的距离。它可能是大的:错误 - 或一系列错误 - 在宇宙学中,或者我们对宇宙的起源和演变的理解。如果是这种情况,我们的整个空间历史和时间可能会搞砸。但是,无论问题是什么,它正在制作对宇宙不同意的关键观察:以一种方式测量,宇宙似乎是 以一定的速度扩展;以另一种方式测量,宇宙似乎是 扩展 以不同的速度。而且,作为一篇新的论文表明,即使测量变得更加精确,那么近年来这些差异也变得更大。

“我们认为,如果我们对宇宙学的理解是正确的,那么所有这些不同的测量都应该给我们同样的答案,”北卡罗来纳州立大学(NCSU)和新论文共同作者的理论宇宙学家Katie Mack说。

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两个最着名的测量彼此之间的工作非常不同。首先依赖于宇宙微波背景(CMB):从大爆炸后的第一矩留下微波辐射。宇宙学家在CMB基础上建立了宇宙整个历史的理论模型 - 他们对它们非常有信心的模型,这需要一个全新的物理来破坏。麦克说,他们一起占据了,它们为霍布尔常数或H0生产了合理的精确数字,这为宇宙目前扩展的速度进行了治理。

第二个测量用途 附近星系的超新星和闪烁的星星,被称为头骨。通过衡量这些星系是多远,他们自己的远离我们的速度,天文学家都得到了他们认为是霍布尔常数的非常精确的测量。该方法提供了不同的H0。

“如果我们得到不同的答案,那意味着有一些我们不知道的东西,”Mack告诉Live Science。 “所以这不仅仅是理解宇宙的当前扩张率 - 这是我们对的东西 - 但了解宇宙如何发展,扩张如何发展,以及什么时空一直在做这一切时间。”

Weikang Lin,也是NCSU的宇宙学家和本文的领先作者,表示要开发完整的问题,团队决定在一个地方围绕“约束”H0的所有不同方式。本文尚未正式同行审查或发布,可在 预印刷服务器arxiv..

这是“约束”的手段:物理学中的测量 很少有精确的答案。相反,它们限制了可能的答案范围。通过一起看这些约束,您可以了解您正在学习的某些事情。例如,透过一个望远镜,您可以了解空间中的光点是红色,黄色或橙色。另一个人可能会告诉你它比太空中大多数其他灯更明亮,但比太阳更亮。另一个人可能会告诉你,它在天空中像快速行星一样在天空中移动。这些限制都不会自行告诉你,但他们建议在一起 你正在看火星.

林,麦克马克及其第三议员,NCSU研究生李强侯,看着两个常数的约束:H0,以及普华宇宙“质量分数”的东西,表示为Ωm, which tells you 宇宙中有多少能量,多少是重要的。 H0的许多测量也限制了ΩM,林说,所以它在一起看起来很有用。

这产生了这个彩色情节:

本文中的中央曲线表明,大多数测量霍布尔恒定和质量分数点到一系列数量,但是Cepheid-SuperNova测量(黄色条)指向不同的数量。 (图片信用:Weikang Lin,Katherine J. Mack和Liqiang Hou)

标记的WMAP拉伸的洋红色椭圆形是可以基于CMB的主要过去NASA研究的可能的质量级分和霍莫常数的范围,称为威尔克森逊微波各向异性探针。标记为CV Sn的黄色柱(“Cepheid-Calibreate-Ia超新星”)的短柱是指的是Cepheid- 超新星 测量,不会限制宇宙的质量分数,但是制约H0。标记为SN P的红色棒(“Type-IA Supernovae Pantheon”)是对宇宙质量分数的主要限制。

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您可以看到WMAP和CV SN的边缘重叠,主要是在红条外。这是几年前差异的图片,Mack说:足以担心两次测量的答案是改变不同的答案,但并不是如此重要,以便将它们与一点调整不相容。

但近年来,来自一个名为Planck合作的组的CMB的新测量。普朗克协作,它在2018年发布了最新的数据集,对宇宙的大规模分数和扩展速率进行了非常严格的限制,由标记为普朗克的绘图上的黑色条子表示。

现在,作者写道,两个宇宙的两个疯狂不同的图片出现。普朗克和WMAP - 以及约束H0和其他方法的一系列方法Ωm - 或多或少兼容。情节上有一个地方,在白色破折号的圈子里,他们都允许宇宙扩大的速度以及物质所做的多大答案。您可以看到绘图上几乎所有的形状通过该圆圈。

但基于实际研究的最直接测量,在我们当地宇宙中有多远以及他们移动的速度有多快,不同意。 Cepheid测量在右侧出门,甚至不是其误差杆(表示淡淡的黄色比特,表示可能值范围)通过虚线圆圈。这是一个问题。

“在过去的几个月里,这一领域有很多活动,”斯坦福大学宇宙学家Risa Wechsler说,斯坦福大学的宇宙学家没有参与本文。 “所以真的很高兴看到一切都总结了。以H0和H0而绘制它Ωm,这是[宇宙]的基本参数,真的澄清。“

威施勒仍然告诉现场科学,重要的是不要跳到任何结论。

“人们对此感到兴奋,因为它可能意味着有新物理学,这将是非常令人兴奋的,”她说。

在某种程度上,CMB模型可能是错误的,这导致物理学家如何了解宇宙的某种系统错误。

“每个人都会喜欢那种。 物理学家喜欢打破他们的模特“威奇斯勒说道。”但到目前为止,这一模型很好地运作,所以我的前任就必须有很强的证据来说服我。“

Mack说,该研究确实表明,难以通过介绍一片新的物理来与本地宇宙的脐带测量相匹配。

Mack说,这是可能的,Supernovas-cepheid计算是错误的。也许物理学家在我们当地宇宙中的距离是错误的,并且导致错误分配。虽然,很难想象,她说了那种错误估计。许多天体物理学家从头开始测量了本地距离,并提出了类似的结果。提出的作者只是因为我们生活在一个宇宙中的奇怪块,在那里的星系和重力较少,所以我们的邻居总体上的宇宙扩大得更快。

她说,问题的答案,可能就在拐角处。但更有可能是几年或几十年之外。

“它是宇宙中的一些新东西,或者是我们不了解我们的测量的东西,”她说。

狼队表示她会打赌后者 - 可能对一些涉及的一些测量的误差栏可能不太正确,并且一旦这些被解析,图片就会更加好。

即将到来的测量可能澄清矛盾 - 解释它或提高它,表明需要一个新的物理领域。这 大概率调查望远镜在2020年,计划在线上网,应该找到数亿的超新星,这应该大大改善数据集天体物理学家使用来测量星系之间的距离。最终,麦克说,引力波研究将足够好,也能限制宇宙的扩张,这应该增加宇宙学的另一个精度。她说,在路上,物理学家们甚至可能发展足够敏感的乐器,无法实时观看物体远离彼此的延伸。

但对于宇宙学家仍在等待并想知道为什么他们的宇宙测量并没有有意义。

最初发表于 世界科学 .

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