(圖:HubbleSite)

哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)於 1990 年發射時,最主要的任務是找出更精準的哈伯常數(Hubble constant)。這是能調解宇宙膨脹與廣義相對論中靜態宇宙假設基礎的重要常數,愛因斯坦形容這是一種宇宙能抵銷重力向中心吸引而向外排斥的性質。

哈伯常數

至今為止天文學家仍未在此常數的數值上取得廣泛的共識,而日前芝加哥大學(University of Chicago)的天文學家溫迪·弗里德曼教授(Wendy Freedman)以新方法量測了哈伯常數,試圖調解不同研究上數值差異的問題,但卻意外得出一個新的數值。此研究已發表於《天文物理》期刊(The Astrophysical Journal)。

在此研究前,哈伯 SH0ES 團隊利用會規律發出脈衝光的造父變星(Cepheid variables)量測宇宙膨脹的速度,得出的哈伯常數為 74 km/(sec*Mpc)。但另一個實驗,以宇宙背景微波(Cosmic Microwave Background)進行量測時,卻得到 67.4 km/(sec*Mpc)。兩實驗得出的哈伯常數有相當明顯的差異。在弗里德曼教授的研究結果公佈之前,《新科學人》雜誌(New Scienetist)發表的文章中經統計分析得出,兩實驗的結果皆為隨機產生的機率僅有 350 萬分之一。

對於兩實驗在數值上的差異,弗里德曼教授表示:「一般來說,我們會認為此差異可能來自天文學家還未完全瞭解這些被量測星體的性質,或是我們在描述宇宙的天文學模型並不完整。也有可能兩者皆需要改善。」

紅巨星

為了檢驗兩實驗差異性的來源,弗里德曼決定使用另一種星體:紅巨星(red giant)來量測哈伯常數。紅巨星是太陽在數十億年後會進入的恆星演化階段,在此階段下恆星會經歷氦閃(helium flash)而使溫度上升至一億度。藉由觀測不同星系中此種紅巨星的視星等(apparent brightness),天文學家就能計算出星系的距離。接著,以這些星系的退行速度(recessional velocity)與距離進行計算,就能找出該星系以多快的速度遠離——即是哈伯常數。

弗里德曼教授以此方式計算出的哈柏常數為 69.8 km/(sec*Mpc),仍然與前兩實驗有所差距。該數值雖與以宇宙背景微波索計算出的值較為接近,但不足以支持任何一方的計算結果。

新一代太空望遠鏡

目前在量測哈伯常數的其中一大問題是,天文學家無法精確了解遙遠星體的距離。而此問題有望由 NASA 接下來數十年內計畫的大視場紅外巡天望遠鏡(Wide Field Infrared Survey Telescope,WFIRST)解決。這種望遠鏡將能協助天文學家更精準量測遙遠星體的距離,WFIRST 的解析度將會是哈伯望遠鏡的 100 倍。

參考資料:

  1. Robitzski, D. (2019, July 16). New Hubble data breaks scientists’ understanding of the universe.  Futurism
  2. New Hubble Constant Measurement Adds to Mystery of Universe’s Expansion Rate. (n.d.).  HubbleSite
  3. Crane, L. (2019, July 11). Something is seriously wrong with our understanding of the cosmos. New Scientist
  4. Freeman, W., et al., (2019, August 29). The Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. An Independent Determination of the Hubble Constant Based on the Tip of the Red Giant Branch. The Astrophysical Journal DOI:10.3847/1538-4357/ab2f73
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