最新研究:我们在一个直径为2.5亿光年的巨大“气泡”中运动

时间:2020-03-12 19:45:08 浏览:4次
最新研究:我们在一个直径为2.5亿光年的巨大“气泡”中运动

地球、太阳系、整个银河系和距离我们最近的几千个星系在一个直径为2.5亿光年的巨大“气泡”中运动,那里的物质平均密度是宇宙其他地方的一半,这是日内瓦大学(UNIGE)一位理论物理学家提出的假设,目的是解决十年来科学界争论不休的一个分歧难题:宇宙以多快的速度膨胀?到目前为止,至少有两种独立的计算方法得出了两个相差约10%的值,其偏差在统计上是不可调和的。

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这项发表在《物理快报B》期刊上的新方法,在不使用任何“新物理学”的情况下消除了这种分歧。自138亿年前宇宙大爆炸发生以来,宇宙一直在膨胀,这一命题首先由比利时佳能和物理学家乔治·莱马瓦特(1894-1966)提出,并由埃德温·哈勃(1889-1953年)首次证明,这位美国天文学家在1929年发现,每个星系都在远离我们,而且越远的星系运动越快。

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这表明,在过去,所有星系都位于同一地点,这一时间只能与大爆炸相对应。这项研究引出了哈勃-勒马瓦定律,包括表示宇宙膨胀率的哈勃常数(H0),目前最好的H0估计值在70 (km/s)/Mpc左右,问题是有两种相互冲突的计算方法。第一个是基于宇宙微波背景:这是来自世界各地的微波辐射,当宇宙变得足够冷,光能够自由传播的时候(大约在宇宙大爆炸后37万年)发出来的微波辐射。

零星的超新星

使用普朗克太空任务提供的精确数据,并考虑到宇宙是均匀和各向同性的事实,使用爱因斯坦的广义相对论在整个场景中运行,得到H0的值为67.4 (km/s)/Mpc。第二种计算方法是基于遥远星系中零星出现的超新星。这些非常明亮的事件,为观测者提供了高度精确的距离,这种方法使得确定H0值为74 (km/s)/Mpc成为可能。UNIGE科学院理论物理系教授卢卡斯·隆布里泽解释说:

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这两个值多年来一直在变得更加精确,但彼此之间却保持着不同。不需要太多,就会引发一场科学争论,甚至会激起人们的希望,认为我们可能正在处理一种‘新物理学’。为了缩小差距,隆布里泽教授接受了宇宙并不像声称那样同质的观点,这一假设在相对温和的尺度上似乎是显而易见的。毫无疑问,物质在银河系内的分布与在银河系外的分布不同。然而,更难想象物质平均密度的波动,是以比星系大几千倍的体积来计算的。

“哈勃气泡”

如果我们处在一种巨大的‘泡泡’中,物质的密度明显低于整个宇宙的已知密度,这将对超新星的距离产生影响,并最终影响到H0的确定。所需要的只是这个“哈勃泡泡”足够大,足以包括作为测量距离参考的星系。通过确定这个气泡的直径为2.5亿光年,这位物理学家计算出,如果内部物质的密度比宇宙其他部分的密度低50%,哈勃常数将获得一个新的值,然后该值将与使用宇宙微波背景获得的值一致。

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出现这种规模波动的概率是5%到20%,这意味着这不是理论家的幻想,在浩瀚的宇宙中,像我们这样的区域还很多很多。普朗克卫星从宇宙微波背景和陆基距离探测器测量到的宇宙当前膨胀率之间明显存在着差异,这促使科学家将其解释为新物理学的证据。在传统宇宙学中,这种差异的一个可能来源,在这里被确定为40MPC环境的宇宙平均值周围物质密度波动。

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在这个环境中,超新星Ia型分离与造父变星和银河系附近的绝对距离锚进行了校准。这种规模的不均匀性很容易达到40%甚至更多。在这种情况下,不一致的膨胀率可以作为在低密度区域的证据,该区域的密度为δEnv≈−0.5±0.1。在给定普朗克数据的情况下,找到这个局部膨胀率概率位于95%的置信水平。同样,假设等效局部区域数据集的平均膨胀率等于普朗克的数据集,虽然在统计上是有利的,但在各自的贝叶斯因子中不会获得相对于实际数据的强烈偏好。

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因此,这些结果表明了哈勃常数的局域测量和普朗克测量之间的边界一致性。一般而言,考虑到环境的不确定性,局域测量可以重新解释为对宇宙哈勃常数H0=74.7−4.2+5.8 km/s/Mpc的约束。目前的简化分析可以通过使用全部可用的数据集、对更容易出现不均匀性≲10Mpc环境的影响研究,以及类星体透镜测量的膨胀率、引力波(目前仅限于相同的40mpc区域)和局部星系分布来增强。

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博科园|研究/来自:日内瓦大学

参考期刊《物理快报B》

DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135303

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Tags:宇宙
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