您当前的位置:首页 >> 科学
新发现能否一举解决宇宙学中的两大谜题?
发布时间:2019-09-04
 

宇宙是由什么构成的?我们可能会立即想到是原子或者更小的夸克和电子。的确,这些物质结合在一起就会形成你、我、地球、恒星…… 但事实上,我们所熟悉的这些普通物质仅仅只占据了宇宙的5%。那其余的95%是什么?其中约27%的东西被我们成为暗物质,我们虽然无法观测到它们,但可以通过它们所施加的引力来推断它们的存在;剩余的68%是神秘的暗能量——它导致了宇宙的加速膨胀

这样的一个图景,是由一个叫ΛCDM的宇宙学标准模型所描述的(Λ是宇宙学常数,CDM代表冷暗物质)。这个模型是由过去几十年所收集的大量数据所支撑的,从宇宙微波背景(CMB)到更加”局域“的观测。后者包括超新星爆炸、星系团以及暗物质在遥远星系上留下的引力畸变,它们可被用于追溯宇宙历史上近几个时代的宇宙膨胀,时间跨度约为90亿年。

通过欧洲航空局(ESA)的XMM-牛顿卫星观测到的大量遥远的活跃星系,一组天文学家发现,宇宙早期的膨胀可能比宇宙学标准模型预测的要多。在新的研究中,他们发现类星体或许可以拓宽观测的时间跨度,这将天文学家对宇宙膨胀的测量推回到120亿年前。

新发现能否一举解决宇宙学中的两大谜题?

○ 类星体的艺术渲染图。| 图片来源:ESA–C. Carreau

类星体是一类非常明亮的活动星系核(AGN),在它们的核心是一个活跃的超大质量黑洞,以非常快的速度吞噬周围的物质,释放出跨越了整个电磁波谱的明亮光芒。当物质落在黑洞上时,它会形成一个辐射可见光紫外光的旋转圆盘;接着,这些释放出的光会加热周围的电子,从而产生X射线

三年前,研究人员Guido Risaliti和Elisabeta Lusso意识到,一个著名用于描述类星体的紫外线和X射线之间的亮度关系,可以用来计算一个天文学上非常棘手的问题——类星体的距离,从而可进一步被用来探索宇宙的膨胀历史。有一些天体的性质,能使我们能够测量它们的距离,这些天体被称之为“标准烛光”。

新发现能否一举解决宇宙学中的两大谜题?

○ 类星体可以被当做标准烛光。| 图片来源:NASA/ESA/Hubble

其中最值得提到的一类天体是Ia型超新星,它由白矮星在吸收了来自伴星的物质后的壮观消亡构成,会产生亮度可预测的剧烈爆炸,从而使得天文学家能够确定其距离。上世纪90年代末对这些超新星的观测,揭示了宇宙在过去几十亿年间的加速膨胀。

Elisabeta解释说:“使用类星体作为标准烛光有很大的潜力,因为与Ia型超新星相比,我们可以从更远的距离观测到它们,因此可以用它们来探测宇宙史上的更早时期。”

现在,有了大量的类星体样本之后,天文学家已经能将他们的想法付诸实践,而由此产生的结果非常有趣。

通过挖掘XMM-牛顿卫星档案中的数据,他们收集到了7000多个类星体的X射线数据,然后他们将这些数据与来自地面的斯隆数字巡天 (SDSS)的紫外线观测结合起来。他们还使用了一组由XMM-牛顿卫星在2017年专门对非常遥远的类星体进行观测时所获取的新数据,观测到了它们在宇宙只有大约20亿年时候的样子。最后,他们还用其他天文台观测到的少量更远的类星体和一些相对较近的类星体对数据进行了补充。

Risaliti说:“如此庞大的样本足以使我们能够细致地研究类星体辐射出的X射线和紫外线之间的关系,极大地改进了我们估算其距离的技术。”

XMM-牛顿卫星对遥远类星体进行的新观测获得了非常出色的结果,他们甚至发现了两种不同类型的类星体:70%的类星体会在低能的X射线波段释放出明亮的光芒,而剩下的30%则释放出少量高能的X射线。为了开展进一步分析,他们只保留了较早的一组光源,那组光源中的X射线与紫外辐射的关系更加清晰。

欧洲航天局的科学家Norbert Schartel说:“能在离我们如此遥远的光源中分辨出如此细微的细节,是非常了不起的。这些光源的光在抵达我们之前已经传播了上百亿年了。”

在浏览了这些数据后,他们将类星体的样本缩小到了1600个,天文学家们得到了最好的观测结果,从而能够更可靠的估算这些类星体的距离,并用于探索宇宙的膨胀。

Lusso说:“当把跨越了近120亿年宇宙历史的类星体样本,与只覆盖了过去80亿年左右的Ia型超新星的局域样本结合起来时,我们在重叠的时代中发现了相似的结果。”

新发现能否一举解决宇宙学中的两大谜题?

○ 图中显示了天体(青色符号代表Ia型超新星;黄色、红色和蓝色符号代表类星体)距离的测量值,可以被用来研究宇宙的膨胀历史。| 图片来源:G. Risaliti & E. Lusso

“然而,对于更早期的宇宙阶段,我们只能通过类星体来探测。结果发现我们观测到的宇宙演化与我们根据标准宇宙模型所作出的预测之间存在差异。”

在类星体的帮助下,天文学家得以研究宇宙的这段在过去未能被充分探索的历史时期,并揭示了宇宙学标准模型中可能存在问题,这意味着我们或许需要额外的参数来调和数据与理论之间的关系。

Risaliti说:“一个可能的解决方案是假设存在一种不断演化的暗能量,这种暗能量的密度会随着时间的推移而增加。”

另外,这个特殊的模型还将缓解另一个让宇宙学家苦思冥想的问题,那就是哈勃常数!这个问题来源于从局域宇宙(基于超新星数据)估算出的哈勃常数与从星系团(基于普朗克对CMB的观测)所推测出的哈勃常数存在差异。(可进一步阅读:《宇宙学危机:无法统一的哈勃常数》)

Risaliti补充说:“这个模型非常有趣,因为它可能同时解决两个难题,只是目前还没有定论,在我们能够解决这个宇宙难题之前,我们必须仔细研究更多的模型。”

研究人员希望在未来能观测到更多的类星体,进一步地完善他们的结果。此外,计划于2022年发射的欧几里得卫星,将会在发射之后探索过去100亿年的宇宙膨胀,并且研究暗能量的性质。届时,它将有望给我们带来更多的线索。

参考来源:

https://phys.org/news/2019-01-galaxies-physics-cosmic-expansion.html

https://www.nature.com/articles/s41550-018-0657-z