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宇宙138亿岁了,研究发现引力波可以解决哈勃常数之谜!

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发表于 2019-11-13 13:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
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原创: 博科园  科学科普  天文物理  2019/11/11
https://mp.weixin.qq.com/s/QmtDSZbHb3xo6n2ZBFMySw


如果科学家幸运的话,通过分析双星碰撞对空间和时间结构产生的涟漪,可能很快就能解开宇宙膨胀速度之谜。这是一项新研究的结论,研究人员说,这项研究也可能揭示宇宙的最终命运。宇宙自138亿年前诞生以来一直在扩张,通过测量目前宇宙膨胀的速度,即哈勃常数,科学家可以推断宇宙的年龄和它当前状态的细节。甚至可以用这个数字来试着了解宇宙的命运,比如宇宙是否会永远膨胀,是否会自行坍缩,或者是否会完全分裂,科学家们使用两种主要的方法来测量哈勃常数,一种方法是监测附近的天体,这些天体的性质科学家们都很了解。

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比如超新星爆炸和造父变星等脉冲恒星,以便估算它们之间的距离,然后推断宇宙的膨胀速度。另一项聚焦于宇宙微波背景辐射,即宇宙大爆炸遗留下来的辐射,研究其随时间的变化,以计算宇宙膨胀的速度。然而,这两种技术对于哈勃常数的值产生了两种不同的结果。

来自宇宙微波背景的数据显示,宇宙目前正以每秒41.6英里(67公里)的速度膨胀,每326万光年,而来自附近宇宙的超新星和造父变星数据显示,每326万光年膨胀45.3英里(73公里)。这种差异表明标准宇宙模型(科学家对宇宙结构和历史的理解)可能是错误的。解决这一被称为“哈勃持续冲突”的争论,可能有助于揭示宇宙的演化和最终命运。

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两颗中子星合并并释放引力波的描绘概念图,图片:R. Hurt/Caltech-JPL

在这项新研究中,物理学家们提出,来自时空结构中被称为引力波的涟漪,未来数据可能有助于打破这种僵局。该研究的主要作者、纽约熨斗研究所(Flatiron Institute)的天体物理学家斯蒂芬·菲尼(Stephen Feeney)说:哈勃望远镜的不断冲突(这是我们对宇宙模型不完整的最大暗示)在5到10年内是可以解决的。根据爱因斯坦的广义相对论,引力是质量扭曲时空的结果。任何有质量的物体移动时,都会产生引力波,引力波以光速传播,在传播过程中会拉伸和挤压时空。引力波异常微弱,直到2016年科学家才首次发现引力波存在的直接证据。在2017年,科学家还探测到了中子星碰撞产生的引力波。

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中子星是在超新星(supernovas)灾难性爆炸中死亡的恒星残骸。如果一颗恒星的残骸质量不足以坍缩成黑洞,那么它们最终将可能成为中子星。中子星之所以得名,是因为它的引力足够强大,足以将质子与电子一起压碎,形成中子。与黑洞不同,中子星发出可见光,它们的碰撞也是如此。

这些合并产生的引力波,被称为“标准警报器”,将帮助科学家确定它们与地球的距离,而这些碰撞发出的光将帮助确定它们相对于地球的移动速度。研究人员可以使用这两组数据来计算哈勃常数。根据Feeney和同事们的研究,分析未来5到10年内50对中子星之间的碰撞可能会得到足够数据来确定哈勃常数的最佳测量值。

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然而,这一估计取决于中子星碰撞发生的频率。中子星合并速度存在相当大的不确定性——毕竟,我们迄今只看到过一次,如果我们非常幸运地看到了这一现象,而且合并实际上比我们想象的要罕见得多,那么观测解释哈勃常数冲突所需的合并数量可能比我们在工作中所说的要长。引力波最终可能支持哈勃常数的一个值,而不是另一个值,但它们也可能决定哈勃常数的第三个新值。如果这种情况发生,它可能会带来有关超新星、造父变星或中子星行为的新见解。科学家们在2月14日的《物理评论快报》论文上详细介绍了他们的研究发现。







               

 楼主| 发表于 2019-11-13 13:34 | 显示全部楼层
文中提到的  “科学家们使用两种主要的方法来测量哈勃常数,一种方法是监测附近的天体,这些天体的性质科学家们都很了解。另一项聚焦于宇宙微波背景辐射,即宇宙大爆炸遗留下来的辐射,研究其随时间的变化,以计算宇宙膨胀的速度。”

这两种我在 “中国科学家宇宙考古发现大反常!找到127亿年前的巨大原初星系团”一文中,解答他人的疑问时也提到。


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发表于 2019-11-19 11:48 | 显示全部楼层
这些都能得到确定的论证吗?

点评

已经得到确切论证。  详情 回复 发表于 2019-11-19 13:32
 楼主| 发表于 2019-11-19 13:32 | 显示全部楼层
jin10125 发表于 2019-11-19 11:48
这些都能得到确定的论证吗?

已经得到确切论证。
发表于 2019-11-28 18:45 | 显示全部楼层
宇宙目前正以每秒41.6英里(67公里)的速度膨胀,
发表于 2019-12-13 17:50 | 显示全部楼层
请教楼主一个问题,这段话“宇宙目前正以每秒41.6英里(67公里)的速度膨胀,每326万光年,而来自附近宇宙的超新星和造父变星数据显示,每326万光年膨胀45.3英里(73公里)”是什么意思,326万光年表达什么?

点评

这个是哈勃常数,它表示了宇宙的膨胀速度,单位是 km s^-1 Mpc^-1。 pc是距离单位,叫秒差距,1pc=3.26光年 1Mpc(百万秒差距)=326万光年。哈勃常数表示了,星系间的距离每增大1Mpc,星系相互退行的速度便增大7  详情 回复 发表于 2019-12-15 14:25
 楼主| 发表于 2019-12-15 14:25 | 显示全部楼层
心似白云常自在 发表于 2019-12-13 17:50
请教楼主一个问题,这段话“宇宙目前正以每秒41.6英里(67公里)的速度膨胀,每326万光年,而来自附近宇宙的 ...

这个是哈勃常数,它表示了宇宙的膨胀速度,单位是 km s^-1 Mpc^-1。

pc是距离单位,叫秒差距,1pc=3.26光年  1Mpc(百万秒差距)=326万光年。哈勃常数表示了,星系间的距离每增大1Mpc,星系相互退行的速度便增大73公里/秒。

点评

还要请教一个问题:每326万光年星系间退行速度增加73公里/秒,这只是红移换算出来的。请问每326万光年,红移的数据在光学上是怎么表示的?在数学上又是怎么表示的?请赐教,谢谢!  详情 回复 发表于 2019-12-18 10:39
知道了,谢谢普及天文专业知识!  详情 回复 发表于 2019-12-15 15:22
发表于 2019-12-15 15:22 | 显示全部楼层
zhangms 发表于 2019-12-15 14:25
这个是哈勃常数,它表示了宇宙的膨胀速度,单位是 km s^-1 Mpc^-1。

pc是距离单位,叫秒差距,1pc=3.2 ...

知道了,谢谢普及天文专业知识!
发表于 2019-12-18 10:39 | 显示全部楼层
zhangms 发表于 2019-12-15 14:25
这个是哈勃常数,它表示了宇宙的膨胀速度,单位是 km s^-1 Mpc^-1。

pc是距离单位,叫秒差距,1pc=3.2 ...

还要请教一个问题:每326万光年星系间退行速度增加73公里/秒,这只是红移换算出来的。请问每326万光年,红移的数据在光学上是怎么表示的?在数学上又是怎么表示的?请赐教,谢谢!

点评

好多天没进来了,刚进来看到。 光学上,红移是通过光谱测量出来的。对星系的一些特征谱线进行测量,再和它的固有谱线(实验室谱线)比较,算出红移z。对同一星系,它在整个光谱上的各种特征谱线都一致地红移。以氢  详情 回复 发表于 2019-12-23 21:27
 楼主| 发表于 2019-12-23 21:27 | 显示全部楼层
心似白云常自在 发表于 2019-12-18 10:39
还要请教一个问题:每326万光年星系间退行速度增加73公里/秒,这只是红移换算出来的。请问每326万光年, ...

好多天没进来了,刚进来看到。

光学上,红移是通过光谱测量出来的。对星系的一些特征谱线进行测量,再和它的固有谱线(实验室谱线)比较,算出红移z。对同一星系,它在整个光谱上的各种特征谱线都一致地红移。以氢为例,氢是宇宙中最丰富的化学元素,它在可见光区有四条谱线。第一条是Hα(α为右下标),若其固有波长为λ0(0为右下标),观测到的波长为λ,根据多普勒效应,
红移z=(λ-λ0)/λ0。当星系的退行速度v<<c时,v≈cz,根据哈勃定律,就可以求出星系的距离了。哈勃定律只适用于低红移的情形,高红移情形下要有一个红移修正,为[(1+z)^2-1]/[(1+z)^2+1]。


点评

哦,有点高深,太专业了  详情 回复 发表于 2019-12-23 21:53
发表于 2019-12-23 21:53 | 显示全部楼层
zhangms 发表于 2019-12-23 21:27
好多天没进来了,刚进来看到。

光学上,红移是通过光谱测量出来的。对星系的一些特征谱线进行测量,再 ...

哦,有点高深,太专业了

 楼主| 发表于 2019-12-25 10:38 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangms 于 2019-12-25 10:52 编辑

对于高红移,星系的退行速度为:

v=c[(1+z)^2-1]/[(1+z)^2+1]
显然,当z→∞时,v→c (c 为光速),这是高红移哈勃定律。

对于z≥1的星系,称为高红移星系。目前的观测结果表明,许多星系和类星体是在1≤z≤6期间形成的,在6<z<10之间的星系数目非常少,而z>10的天体目前还没观测到。最早的天体(如所谓的星族III天体)可能形成于z=20-30,但还没有直接的观测证据表明这一点。现在常把10<z<1000的时期称为宇宙的“黑暗时代”(Dark Ages),因为此期间除了弥漫于太空的宇宙背景辐射外,没有任何发光的天体被观测到。

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