天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種確定宇宙當(dāng)前膨脹速率的新方法,稱為哈勃常數(shù)。最近一篇關(guān)于arXiv的論文,并被英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)的每月通知接受發(fā)表,描述了一種使用X射線觀測(cè)遙遠(yuǎn)星系中心的超大質(zhì)量黑洞的方法,這些超大質(zhì)量黑洞正在吞噬大量的氣體,稱為活動(dòng)星系核。這可以解決兩種現(xiàn)有方法之間正在進(jìn)行的爭(zhēng)論,這兩種方法在宇宙年齡上存在超過(guò)十億年的分歧。
藝術(shù)家對(duì)圍繞超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行的物質(zhì)吸積盤的印象。X射線照射在吸積盤上,然后根據(jù)與黑洞的距離在不同時(shí)間重新出現(xiàn)不同的顏色(能量)。這可以用來(lái)測(cè)量吸積盤的亮度,這讓天文學(xué)家可以根據(jù)物體的亮度來(lái)估計(jì)到物體的距離。圖片來(lái)源:菲利波·布蘭比拉
宇宙開始于大爆炸,此后一直在膨脹,但不是以恒定的速度。哈勃常數(shù)是今天的膨脹率。由于宇宙中的每個(gè)點(diǎn)都遠(yuǎn)離其他每個(gè)點(diǎn),因此更遙遠(yuǎn)的星系彼此遠(yuǎn)離的速度更快。想象一下,當(dāng)氣球膨脹時(shí),畫在氣球上是彼此遠(yuǎn)離的點(diǎn)。我們可以測(cè)量其他星系從光的紅移中遠(yuǎn)離我們的速度,但是測(cè)量到星系的距離是非常困難的。傳統(tǒng)的方法是尋找特定種類的超新星爆炸。由于這些超新星以已知的亮度發(fā)光,因此可以從它們?cè)诘厍蛏峡雌饋?lái)有多微弱來(lái)推斷距離。測(cè)量哈勃常數(shù)的另一種標(biāo)準(zhǔn)方法是完全不同的:它涉及對(duì)大爆炸輻射余輝的理論建模。問題在于,超新星表明宇宙膨脹的速度比余輝輻射的建模速度要快。膨脹可以在時(shí)間上向后推斷,以計(jì)算出宇宙何時(shí)開始。超新星意味著這是不到130億年前的事了,而大爆炸余輝模型意味著它是近140億年前的!
有些東西必須給予。這可能只是超新星實(shí)際上比目前想象得更亮一些,并且看起來(lái)如此微弱,因?yàn)樗鼈兏b遠(yuǎn)?;蛘呖赡苁怯钪娴臉?biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型缺少了物理學(xué)的一個(gè)重要部分。測(cè)量哈勃常數(shù)的新方法對(duì)于在這兩種可能性之間做出決定至關(guān)重要。
論文中表明,我們可以通過(guò)確定到超大質(zhì)量黑洞的距離來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)。在包含它們的活動(dòng)星系核中,物質(zhì)在圓盤中螺旋向黑洞。非??拷诙矗@種物質(zhì)變得如此之熱,以至于它在X射線中發(fā)出非常明亮的光芒。這些X射線照射在圓盤的其余部分,并加熱它。這項(xiàng)新研究開發(fā)了一種測(cè)量圓盤溫度的方法,從而將其用作測(cè)量X射線發(fā)射區(qū)域真實(shí)亮度的傳感器。一旦我們知道了真實(shí)的亮度,我們就可以測(cè)量從地球上看X射線的微弱程度的距離。
作者表明,兩個(gè)軌道X射線天文臺(tái),歐洲航天局的XMM-Newton和NASA的NuSTAR已經(jīng)收集的大量數(shù)據(jù)可以重新用于測(cè)量哈勃常數(shù),具有足夠的精度來(lái)決定這兩種方法中哪一種是正確的。正是這兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的組合使圓盤溫度測(cè)量成為可能。NuSTAR檢測(cè)從圓盤中的自由電子散射出的高能X射線,XMM檢測(cè)被圓盤中的原子吸收并重新發(fā)射的較低能量的X射線。通過(guò)比較這兩個(gè)過(guò)程可以推斷出圓盤的溫度。NuSTAR也至關(guān)重要,因?yàn)樗?jīng)過(guò)了很好的校準(zhǔn):X射線望遠(yuǎn)鏡的工作原理是計(jì)算有多少X射線光子擊中探測(cè)器,但有些光子只是直接穿過(guò)探測(cè)器而不被計(jì)數(shù)。NuSTAR探測(cè)器非常容易理解,這意味著我們知道X射線光子的哪一部分比任何其他目前活躍的X射線天文臺(tái)更準(zhǔn)確地通過(guò)它們。這使我們能夠計(jì)算出來(lái)自每個(gè)遙遠(yuǎn)黑洞的X射線信號(hào)到底有多暗淡。
發(fā)表這篇論文的主要作者Adam Ingram博士評(píng)論說(shuō):“因?yàn)槲覀兊男路椒ㄍ耆?dú)立于所有其他方法,它為我們提供了一種方法來(lái)確定是否需要一種新的理論來(lái)解釋宇宙的歷史。這項(xiàng)工作現(xiàn)在開始,通過(guò)分析所有這些觀察結(jié)果來(lái)實(shí)際進(jìn)行測(cè)量”。