宇宙质量有多大?新方法测得不同数据,宇宙标

 新闻资讯     |      2020-06-13 15:01

根据科学家的估计,我们的宇宙总质量约为10^53kg。这是我们通过观测太阳系和银河系的特征大致推算出的一个数字。

既然是“推算”,那就意味着一定有误差,这不,一种新的“称量”方式得出的数据让科学家们傻眼了——新结果与原来的数字相比差距太大了。

如果科学家无法解释这一差异,那么或许我们不得不修改目前描述宇宙最为合理的模型:宇宙标准模型。

“西格玛-8”是一个描述宇宙中物质密度和聚集程度的参数,利用这个参数,科学家便可以根据可观测宇宙的体积计算出宇宙的质量。

“弱引力透镜”是爱因斯坦广义相对论中预言的一种效应,具体而言,这是一种光学现象,源自于宇宙中物质聚集引发的广义相对论效应,即时空弯曲。

看到这你可能感到不知所云,用通俗的话讲,弱引力透镜就是来自远处的星系光,被近处的星系的引力轻微扭曲产生的形变效应。

它可以反映宇宙中物质密度扰动引发的纯引力效应,因为产生弱引力透镜效应的天体并不是黑洞那样对空间拥有极强扭曲能力的天体,所以光产生的形变非常小,几乎不会改变发光星系的形状,并不会像强引力透镜那样产生“爱因斯坦环”一样的扭曲形状。

虽然形变微小,几乎不会改变单个星系的形状,但是如果将整片天空中成千上万的星系全部纳入观测范围计算平均形变,便可以发现那微弱的引力透镜效应。

假设那些星系相对于地球的位置是随机的,那么在没有引力透镜的情况下,它们的平均形状会接近圆形,而如果出现弱引力透镜效应,那么它们的平均形状将趋于椭圆。

只要那片星系到地球的中央存在中间物质的聚集,那么就可以观测到那些星系平均形状的形变。

天文学家便可基于此来估计该方向中间物质(包括暗物质和常规物质)的数量以及分布情况,也可以说观测了这一地区的物质密度。

不过,仅靠弱引力透镜无法获知全部信息,想要精确测量西格玛-8还需要更多数据的支持,首当其冲的便是要知道星系之间的距离,这就要用到第二个知识:红移。

在马路上我们都经历过这样一个事情,汽车喇叭的声调会随着远离我们而产生变化,这可以被看做是声音的“红移”。

光的颜色由其频率决定,而频率=1/波长×光速,可以看出,波长越短,频率越高,颜色就越发偏蓝偏紫。而波长越长,频率越小,颜色就越偏红。

一般星系发出的光都是高频率、短波长的光,但是由于宇宙空间不断在膨胀,当这些光不断走向地球时,原本“很短”的光被迫“拉长”。上面说了,波长越长,频率越小,颜色就越偏红,光被“拉长”了,颜色便会向“红”偏移,这就叫“红移”。

通过哈勃定律Z = H*d /c,科学家可以通过红移计算出星系的距离。其中Z为红移量,c为光速,d为距离,H为哈勃常数。其实这个哈勃常数也不是一个省油的灯,在后面我们会讲到这伙计是如何冲击天文学的。

由此可见,红移可以帮我们确定星系间的距离,加上之前的弱引力透镜效应,科学家便可以进一步观测宇宙物质密度的分布。

不过在处理数以百万计的星系时,一个一个地测量星系红移是十分低效的时,因此科学家们采用了“光度红移”方法进行批量处理。

学习了上述两个知识,我们便可以用最短的话语描述整个问题,即“西格玛-8冲突”究竟是什么?会给我们带来什么影响?

该观测成果属于欧洲南方天文台发起的“千平方度巡天计划”,整个观测过程中,科学家动用了欧洲南方天文台位于智利帕瑞纳天文台的两台红外巡天系统,通过分析4个可见光段和5个红外光段,得到了数百平方度的高分辨率图像。

为了确保批量观测红移的可靠性,研究人员还使用了帕纳瑞天文台的8米甚大望远镜和夏威夷莫纳克亚山的10米凯克望远镜对观测到的红移数据进行校准。

在观测了大约350平方度的天空数据后,研究者利用弱引力透镜效应与星系红移估计了“西格玛-8”的大小。他们发现此次计算的数据与欧洲空间局普朗克卫星对宇宙微波背景辐射(CMB)的观测值有很大冲突。

本次弱引力透镜效应观测的“西格玛-8”的值约为0.74,而普朗克卫星的数据约为0.81,这意味着宇宙质量可能没有原本想像的高。

研究人员表示,大约1%的可能,这只是由于正常的统计涨落(随机噪声),可能会随着观测次数增多趋于一个稳定的平均值。冲突也可能会随着某种误差的消除而消除。

其实这已经不是第一次宇宙常数在不同的观测中发生冲突,上面提到过的“哈勃常数”就曾给天文研究带来了很大的冲击。

哈勃常数是描述宇宙膨胀速度的参数,然而在几次测量中,哈勃常数没有一次是完全一样的,这个冲突被称为“哈勃冲突”。

2016年诺贝尔奖得主里斯领导的小组依据对la型超新星的观测数据,得到了值为73.24±1.74的哈勃常数。

几次哈勃常数的变化都令天文学家们揪心,因为哈勃常数每变一次,曾经观测的星系距离数据就要改变一次,估算出的宇宙年龄就要改变一次。

如果“西格玛-8冲突”和哈勃冲突上升到统计相关水平,那么科学家将不得不重新评估宇宙标准模型是否要重新修改。

而根据《科学进步》杂志2020年4月24日发表的一篇文章,科学家发现在一个方向上宇宙精细结构常数发生了改变,这意味着在那个地方,元素将以不同于地球周围的形式存在。

“常数”开始变得无常,一切开始变得混沌,天文学似乎迎来了全新挑战,不知人类能否在挑战中胜出呢?