澳门新萄京娱乐场 / Blog / 科技成果 / 【科技成果】它违反了宇宙学原理,宇宙中的放大镜
科技成果 4

【科技成果】它违反了宇宙学原理,宇宙中的放大镜

因此,最近涌现出的发现搞得天文学家们有点紧张。但是解决方法也同样充满争议。有研究者宣称这些巨大的结构是另一个维度的投影。如果他是对的,我们将能够首次证实,在我们的宇宙之外还有另一个宇宙存在。而且由于这些巨大的结构并不是我们宇宙中的实体,宇宙学原理也依然成立。

未来5年至10年是暗能量研究的黄金时代。相信在全世界科学家的共同努力下,揭开暗能量神秘面纱的时刻指日可待。(作者:赵公博
张新民)

引力透镜在天文研究中有非常重要的作用。除了可以看到星系、类星体、超新星的多重像、爱因斯坦十字、爱因斯坦环之外,天文学家用透镜星系团与透镜星系研究极早期宇宙,将一些原本暗弱到无法被观测到的极早期星系的光放大10倍以上,从而观测到它们。因此哈勃太空望远镜执行的任务之一就是利用引力透镜观测极早期宇宙中的黯淡星系。

科技成果 1

要确定宇宙的膨胀是加速还是减速,就要测量遥远天体的距离和红移关系。天文学上常用的测距方法,是通过测量天体的亮度来推断距离,这要选取具有绝对亮度的天体作为标准。由恒星演化到最后发生爆炸而形成的超新星可以担任这个角色。其爆发时亮度能与整个星系相比拟,从很远的距离外都能观测到。

(作者单位:广西大学物理科学与工程技术学院)

就拿那个20亿光年宽的巨型空洞来说,它的发现者之一,西班牙巴塞罗那高能物理研究所的András
Kovács说:“那部分宇宙的星系数目比平均值要少10000个。”根据最新的数据,天文学家相信宇宙学原理在大约十亿光年的尺度下一定是对的。在这一尺度下,任意给定区域的物质多少都是相近的。这个巨洞的宽度几乎超过这一界限一倍,看起来十分显眼。Kovács团队称这个洞为超巨洞,并相信这个洞有可能解释宇宙微波背景辐射中巨大的冷斑,一个困扰天文学家十几年的问题。

除超新星以外,重子声波振荡是探测宇宙膨胀历史的另一枚重要探针。在宇宙早期,重子物质与光子紧密耦合,并在引力和光子压强两种相反的作用力下形成类似声波一样的振荡。随着宇宙膨胀,温度降低,这种声波振荡使得重子物质逐渐相互远离,直到宇宙大爆炸后约38万年的微波背景辐射时期。从此光子与重子不再相互作用,声波振荡过程结束,星系之间的距离被“冻结”在一个特定的宇宙学尺度上,即BAO尺度。BAO尺度大约为150兆秒差距,具体数值依赖于宇宙学参数。观测上,我们可以通过测量不同尺度上星系对的数目(宇宙学上称为星系的两点关联函数)测量BAO尺度,进而测量宇宙学参数。

但宇宙中的天体系统并不都是单个的恒星。如果上千亿颗恒星聚集而成的星系作为一个引力透镜,产生的折射效应就会很明显。更进一步,多个星系组成的星系团会产生更强烈的引力透镜现象。充当引力透镜的星系与星系团分别被称为透镜星系与透镜星系团。

由高能的伽马射线暴构成,占据可观测宇宙6%的巨大的环……

4.爱因斯坦建立的广义相对论错了么

天文词典

2015年,匈牙利的天文学研究团队发现了一个巨大的伽马射线暴(GRB)群,伽马射线暴即为由遥远星系发出,能量极高、寿命短暂的能量爆发。发射GRB的星系看起来组成了一个直径达56亿光年的圆环,占据了6%的可观测宇宙。“我们真的没有预料到会发现这么大的结构,”来自匈牙利康科利天文台,领导这项研究的Lajos
Balázs说。这个尺度比宇宙学原理预言的宇宙应该呈现均一结构的尺度还要大五倍。

由于利用BAO尺度直接受宇宙几何影响,而且BAO测距几乎不受系统误差影响,BAO被称为测量宇宙几何的标准尺。目前国际上最大的BAO巡天实验为美国的斯隆数字巡天。其第三期的重子声波振荡光谱巡天通过测量一百万条星系光谱,首次在有效红移0.57处把BAO距离测量精度提高到1%的水平,并成功在多个宇宙学红移测得高精度的BAO信号,为宇宙学研究提供重要观测支持。BAO的观测独立地表明,宇宙确实正在加速膨胀!

大质量天体使光线弯曲

随着我们对宇宙的观测变得更加清楚,天文学家发现了一系列巨大的结构,它们比我们以前所知的任何天体都要大。关于这些结构的问题只有一个:它们原本都不应存在。

宇宙三维图像切片图 观测者到星系和类星体的距离以回溯时间 (lookback time)
标注。回溯时间表示从遥远天体发出的光到达观测者所经历的时间。右边缘对应可观测宇宙的极限,从中可以看到大爆炸之后留下的宇宙微波背景
(Cosmic Microwave Background, CMB)。 图片来源:作者提供

我们都知道,当一束光经过一块三棱镜或者透镜时,光的传播路线会发生改变,这就是折射。我们平时看到的透镜,主要有放大镜、老花镜中使用的凸透镜和近视眼镜中使用的凹透镜。其实,除了常见的玻璃之外,物体的引力也可以让光的路线发生变化。天体强大的引力还有可能形成引力透镜现象。近日,美国天文学家发表论文称,他们利用斯皮策空间望远镜和地面望远镜研究了一个不寻常的微引力透镜事件,发现了一对褐矮星双星。

宇宙学原理在我们对于宇宙的理解中占据了非常基本的位置,所以这样明显的反例让天文学家和宇宙学家都很不舒服,甚至这些现象的发现者也不例外。谈到构成GRB大环的强烈闪光时,有人认为其周围可能存在其他星系,这些星系的光因为没有GRB而显得没那么亮。这就像一间黑屋子中均匀分布着电灯泡,而如果只有一部分是亮的,你就有可能对灯泡的分布得出错误的结论。“这个大环并不一定违反了宇宙学原理。”
Balázs说。

实际上,这并不是科学家第一次感到引力理论有修正的必要。20世纪初,爱因斯坦意识到牛顿引力论既不适用于接近光速运动的物体,也不能准确描述强引力场中的物体。因此,他大胆地使用相对时空观取代了绝对时空观,建立了狭义和广义相对论,为百年来的物理和天文学研究奠定了基石。爱因斯坦场方程的右边是表征物质的分布和运动的物理量,称为能量-动量张量,而方程左边则是时空曲率。此方程清楚表明,广义相对论认为物质的分布和运动决定了时空曲率,而时空曲率又反过来影响物质的运动和分布。如前文所述,由物质主导的宇宙无法使时空加速膨胀,因而引入具有负压的暗能量。这实际上是修正爱因斯坦方程右侧。而另一种解决方案则是直接修正时空曲率项,即修正爱因斯坦方程左侧,这就是修正引力论。

恒星甚至围绕恒星运转的行星所形成的微引力透镜效应也有重要应用。天文学家用它们寻找一些太阳系外的行星、黑洞、褐矮星,还用它们研究暗物质、银河系的盘结构、星系内形成恒星的快慢程度等等。

科技成果 2

5.未来5至10年是暗 能量研究的黄金时代

科技成果 ,(本版图片除标注外来源于网络)

宇宙中存在特殊区域的想法是为现代宇宙学所不容的。英国朴茨茅斯大学宇宙学家Seshadri
Nadathur说:“自文艺复兴以来,我们所有的工作都是反对这一想法的。”这一观点也使得用广义相对论来解释宇宙演化的任务变得更加复杂。“爱因斯坦方程在宇宙均一的前提下好解多了。”Nadathur说。但至少目前,宇宙学原理还仅仅是一种猜想。没有任何证据表明这是对的,而已有的证据似乎越来越多地反对这一观点。

爱因斯坦建立的广义相对论是迄今为止最成功的引力理论。其正确性从实验室尺度到太阳系尺度都得到了高精度的验证。然而,在宇宙学尺度上,广义相对论的正确性还只是假设。目前的实验观测精度还不足以在如此大的时空尺度上证实或者证伪广义相对论。因此,宇宙时空的加速膨胀现象原则上有可能通过修正或者推广广义相对论实现。

在爱因斯坦的理论中,产生引力的原因是物质的质量弯曲了周围的空间与时间,当光线经过被物体弯曲的空间时,就走了弯路,产生偏折。在这个理论的基础上,爱因斯坦还考虑过一个问题:当一个光源与观测者之间恰好有一个物体时,中间那个物体产生的引力会不会像凸透镜一样将光线会聚起来?如果会,这个天体就是一个“引力透镜”。虽然经典力学也可以得到这个结论,但只有爱因斯坦创立的相对论可以正确计算出光线在物体引力作用下偏转的角度。

图中的黑色圆圈为观测到的巨型超大类星体群。

科学家不久前发现显著重子声波振荡信号,这是人类首次利用宇宙深处的类星体进行的重子声波振荡测量,并在超新星、宇宙微波背景辐射观测之后,获得了暗能量存在的又一独立证据,这也再次证实了宇宙在加速膨胀。

一个蓝色的星系发出的光在经过一个明亮红星系时,被后者的引力透镜效应扭曲成一个几乎完整的环——爱因斯坦环。这个星系于2007年被斯隆数字巡天望远镜发现,哈勃太空望远镜在后续的观测中发现了这个不完整的环。Hubble/NASA/ESA/STS

但是如果膜串扰使能级间距缩紧,产生光子的波长就会稍稍变长,这会产生和宇宙膨胀无关的红移。如果你没能考虑到这一点,认为红移都是由距离产生的,那你计算得到的距离实际上是偏大的,这样一来,一些原本有物体的地方就什么都看不到了。

3.暗能量的本质决定着宇宙的命运

引力透镜效应在宇宙学的研究中也有重要作用。过去的观测与理论研究都表明,宇宙中有大量无法用任何望远镜看到的物质,它们被称为暗物质。暗物质的总量大约是普通物质总量的5倍。而利用引力透镜效应,天文学家和宇宙学家可以更精确地确定出星系团与星系内的普通物质与暗物质的分布情况,进而确定宇宙学的一些重要参数。

但是,在膜交界的区域,我们对红移的测量就有可能出现偏差。在这些情况下,一层膜的光子会对另一层膜的带电粒子施加力的作用,这种现象被Dick称为膜串扰。他说:“这将改变重合区域氢原子能级间的距离。”在这些能级间运动的电子释放或吸收光子,产生谱线,我们又依靠这些谱线确定它们和地球的距离。

科技成果 3

随着观测技术的发展,天文学家不仅可以观测到被当年爱因斯坦认定为不可能被观测到的恒星级引力透镜产生的效应,还可以观测围绕恒星的行星产生的更微弱的引力透镜效应,它们被统称为“微引力透镜”。

Nadathur认为超巨洞和类星体群一样,都是可以和宇宙学原理兼容的。他说:“该原理并没有说不能出现涨落,只是说在大尺度上宇宙应该是均一的。”简单地说,就是超巨洞这样的结构并不是不可能出现,只是不会有太多。

之前eBOSS国际合作组的专家都是用星系进行重子声波振荡测量,而这次是用类行星,并且是高红移的类星体进行测量,这与之前利用低红移星系进行的测量形成了很好的互补。

科技成果 4

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

相关文章

网站地图xml地图