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  艺术示意图:正在轨道上工作的美国宇航局斯皮策空间望远镜。这台工作在红外波段的望远镜近期给出了迄今最精确的宇宙膨胀测量数据

  量天尺:造父变星拥有独特的周光关系,被天文学家们称作“宇宙标准烛光”。正是借助这些量天尺的帮助,我们得以以更高的精度对宇宙膨胀速率进行测量

  北京时间10月8日消息,据英国《每日邮报》报道,天文学家们最近给出了有关宇宙膨胀速度迄今最为精确的测量值。一个科学家小组使用美国宇航局斯皮策空间望远镜进行的最新测量显示,宇宙的膨胀速度约为46英里(74公里)每秒·每百万秒差距(更精确的数值为:74.3 ±2.1 (km/s)/Mpc)。

  美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在上世纪初首先通过大量细致的观测发现宇宙正处于不断膨胀之中,并且这种膨胀自从宇宙诞生以来就已经开始了。

  根据目前主流的科学认识,科学家们认为宇宙是在大约137亿年前的一次大爆炸中诞生的,而既然是一次剧烈的膨胀过程,那么测算出其膨胀的速度将是至关重要的,这一数值就被称为“哈勃常数”,一般在物理学中都会用大写的H来表示,这一数值对于确定宇宙的年龄和大小将是极端关键的。

  斯皮策空间望远镜工作在波长较长的红外波段,而不是可见光波段。其最新的测量数据将此前由哈勃空间望远镜进行的一项类似观测的精确度提升了3个数量级,将该数值的不确定性范围降低至3%以内,这是对于宇宙学测量领域的一次重大飞越。天文学家们表示,本次最新精确化的这一数值是74.3 ±2.1 (km/s)/Mpc,其中1百万秒差距约相当于300万光年。

  麦克·沃纳(Michael Werner)是斯皮策项目科学家,来自美国宇航局加州喷气推进实验室(JPL)。他说:“此次斯皮策望远镜再次完成了一项本不属于它的工作。在此之前,它通过对系外行星大气层的研究让我们大吃一惊,而这一次,它竟然成为了一台研究宇宙学的利器。”

  由这项发现获得的数据,加上此前来自美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器已经发布的数据,两者相结合,科学家们希望借此进行一次独立的暗能量测量。暗能量是宇宙中最大的未解谜团之一。

  在上世纪90年代末,天文学家们惊骇地发现我们所处的宇宙事实上正处于加速膨胀之中。这是非常反常的现象,由于宇宙中充满了物质和暗物质——它们都具有质量,因此也都具有引力。在这些引力的作用下宇宙即便处于膨胀之中,也应该会逐渐减速或者至少保持平衡但是绝不应该会加速膨胀。为了搞清楚这个问题的答案,天文学家们不得不构思出了一种“未知的神秘力量”,它独自对抗整个宇宙中所有物质和暗物质所产生的引力,甚至将它们全部击败并推动宇宙加速膨胀。由于科学家们对这种神秘的强大力量一无所知,因此人们便赋予它一个理所当然的名字:“暗能量”。本次研究的第一作者,美国卡耐基天文台主管温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)说:“这是一个巨大的谜团。”

  她说:“很高兴我们可以使用斯皮策空间望远镜进行此类触及到宇宙学最基本问题层面的研究项目,也就是宇宙在目前阶段下精确的膨胀速率,并从另一个角度测量暗能量在宇宙中所占的比例。”

  由于所观测的波段是在红外波段,斯皮策空间望远镜可以将此前哈勃空间望远镜在可见光波段进行的观测结果向前推进一步,因为相比哈勃,斯皮策望远镜的视野可以穿透尘埃和气体云,更好地对一类被称作“造父变星”的恒星进行观测。

  这类变星是一种脉动变星,由于它们的亮度和光变周期之间具有明显的特点,它们常常被天文学家们用作量天尺:只要找到距离已知的这类变星,然后观察它们离开我们的速度,我们便可以测量出宇宙的膨胀速度。

  造父变星之所以可以当做量天尺来使用,是因为它们到地球之间的距离是可以直接测量的。1908年,美国著名的女天文学家里维特(Henrietta Leavitt)注意到,一类被称作造父变星的恒星,其亮度和光变周期之间存在严格的相关,这就是著名的“周光关系”。

  为了进一步说明为何这种性质非常重要,请想象这样一个场景:一个人正逐渐离你远去,他的手上拿着一根蜡烛。随着这个人渐行渐远,他手上的蜡烛烛光也会随之变暗,那么我们只要直接测量烛光的亮度,就可以得到蜡烛到我们所在地的距离远近。对于宇宙中的造父变星情况也是一样的,它们被誉为宇宙中的“标准烛光”。只要测量它们在天空中的亮度,天文学家们就能测算出它们的距离。

  斯皮策望远镜在银河系中挑选出10颗,并在邻近的大麦哲伦星系中挑选出80颗造父变星进行观测。通过这些观测,研究小组得以以更高的精度测量出它们的亮度,并以此计算出它们的实际距离,借此改进先前对这一课题研究所作出的测量值。有了这些数据,天文学家们便可以更进一步,沿着宇宙度量尺的阶梯往上迈出一步,去估算整个宇宙的膨胀速度。

  弗里德曼女士表示:“仅仅在10年之前,要想在同一句句子中使用‘精确’和‘宇宙学’两个单词都是不可想象的,那时候我们对宇宙的尺寸和年龄的认知都非常模糊,误差在两个数量级以上。”不过她说:“但是我们现在所谈论的已经是几个百分比的精确性了,这真是令人难以置信。”有关这一研究成果的论文将会于近期发表在《天体物理学杂志》上。(晨风)