为何不一样的观测方法得到的膨胀速度会有差异？

发布时间：2023-09-28 13:30:29 所属栏目：外闻来源：网络

导读： 　　我们所处的宇宙是包含着所有的星系、星星、星球、物料及能量等无尽的空间；这些存在于时间的永恒长河之中不断地扩张下去。有趣的是，即使科学家们研究了几个世纪，宇宙膨胀的速度仍然是

　　我们所处的宇宙是包含着所有的星系、星星、星球、物料及能量等无尽的空间；这些存在于时间的永恒长河之中不断地扩张下去。有趣的是，即使科学家们研究了几个世纪，宇宙膨胀的速度仍然是个谜。这个谜团不仅挑战了物理学家的认知，也成为了宇宙学中的一个核心议题。

　　要理解宇宙膨胀的速度，首先需要对膨胀本身有个大致的了解。宇宙膨胀并不意味着星系是在一个固定的空间里移动，而是空间本身在膨胀。这意味着所有的星系、星云和其他天体都在远离彼此。为了形象化这一点，可以想象一个上面点满了蓝莓的面包，当你把这个面包放入烤箱烤制时，面包会膨胀，蓝莓之间的距离也会随之增加，但每颗蓝莓自身的大小却保持不变。

　　为什么要关心膨胀速度？

　　了解宇宙膨胀的速度不仅仅是出于好奇。这个速度可以告诉我们宇宙的年龄、结构、未来的命运，甚至可以解释物质和能量的起源。例如，如果宇宙膨胀得非常快，那么它可能在某个时间点会突然撕裂。反之，如果宇宙膨胀得很慢或者停止膨胀，那么宇宙可能会开始收缩，最终导致所有物质和能量的大坍缩。

　　目前，科学家们已经发现了一些方法来测量这个神秘的速度，但不同的测量方法往往得出的结果有所不同。这些差异不仅仅是数字上的微小差别，而是足以对宇宙学的基本理论产生深远的影响。为什么会有这些差异？这背后又隐藏着什么样的科学原理？接下来，我们将逐一探索这些问题。

　　超新星是什么？

　　超新星，宇宙中最壮观的爆炸现象之一，是当一个星体在其生命周期结束时发生的巨大爆炸。这种爆炸如此明亮，以至于它短暂的时间内可以超过整个星系的光亮。有两种主要类型的超新星：Ia型和核塌缩型。其中，Ia型超新星尤其对宇宙学家有价值，因为它们有一个非常特殊的特性：无论在哪里，它们的亮度都几乎是一样的。

　　超新星如何帮助我们测量宇宙的膨胀速度？

　　由于Ia型超新星的亮度是已知的，天文学家可以通过观察它们来测量宇宙的膨胀速度。具体来说，它们的绝对亮度（即如果它们都在同样的距离上的亮度）是已知的，所以当我们在天空中看到它们时，我们可以通过比较它们的表观亮度（我们看到的亮度）来推测它们的距离。通过这种方式，天文学家可以确定距离和红移之间的关系，红移是由于宇宙膨胀导致的光的波长伸展。

　　90年代初，两个独立的团队使用Ia型超新星进行观测，他们期望通过测量这些星体来了解宇宙的膨胀是怎样减缓的。但他们发现的情况完全相反：宇宙的膨胀速度在加速！

　　这个发现震惊了科学界，并最终为这两个团队赢得了2011年的诺贝尔物理学奖。

　　尽管超新星为我们提供了大量的关于宇宙膨胀的信息，但也存在一些困难。例如，宇宙中的尘埃可能会影响我们对超新星亮度的测量，从而影响我们对其距离的估计。此外，是否所有的Ia型超新星都具有相同的亮度仍然是一个开放的问题。

　　宇宙微波背景辐射的定义和起源

　　宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background，简称CMB）是宇宙早期，大约在大爆炸后的38万年时，光开始自由传播时留下的余温。这是一种在所有方向都几乎均匀的辐射，波长在微波范围内。其实，这是我们可以观测到的宇宙的最古老的光。

　　CMB为宇宙学家提供了一个宝贵的工具，因为它不仅记录了宇宙的早期状态，还为我们提供了有关宇宙膨胀速度的线索。

　　如何利用它来测量宇宙膨胀？

　　通过对CMB的一系列详细精密的测量，我们可以轻而易举地观测到不可避免的微小的温度之间的差异。这些差异与宇宙的大规模结构有关，如星系团和超星系团。更重要的是，它们可以帮助我们了解宇宙的总体组成，包括正常物质、暗物质和暗能量。

　　Planck太空望远镜是最近的一个重要任务，它对CMB进行了非常精确的测量。通过这些测量，我们可以得到一个参数，叫做Hubble参数（或宇宙的膨胀速率）。值得注意的是，通过CMB得到的Hubble参数与通过超新星观测得到的参数略有不同。

　　这种差异可能意味着我们对宇宙的某些方面的理解还不够完整，或者可能有一些我们尚未发现的新物理过程在起作用。

　　不过，宇宙微波背景辐射不仅仅告诉我们宇宙膨胀的速度。它还提供了宇宙早期的物质分布图，这对于理解我们的宇宙起源和演变过程具有无价的价值。

　　观测误差的潜在原因

　　每一种科学观测都可能受到误差的影响，宇宙膨胀速度的观测当然也不例外。观测误差可能来源于多种原因：仪器的限制、数据处理中的不确定性、模型的假设、环境噪声等等。例如，在超新星观测中，我们必须确定它的确切亮度，但由于超新星有多种类型，每种类型的亮度可能略有不同，这就引入了不确定性。

　　如何识别和纠正偏差？

　　科学家们为了减少偏差，会采取多种手段。首先，通过反复的观测和使用多种方法来交叉验证结果。其次，引入新的技术或工具来增强观测的准确性。还有，时常修正和更新模型，使其与新的数据更加匹配。例如，对于超新星的类型差异所导致的不确定性，研究者们已经发展了更为精确的方法来识别和分类超新星，以更准确地确定其真实亮度。

　　但即使这样，仍然存在一些基础的、我们尚未完全理解的物理过程，它们可能影响我们对宇宙膨胀速度的测量。

　　两种方法的对比

　　超新星和宇宙微波背景辐射这两种主要的观测方法，虽然都有各自的优点和限制，但它们为我们提供了不同的视角来理解宇宙。超新星观测提供了一种“近景”视角，关注的是宇宙近几十亿年的膨胀历程；而宇宙微波背景辐射则为我们提供了一种“全景”视角，展示了大爆炸后不久的宇宙状态。

　　这两种方法产生的数据之间的差异，可能暗示着我们对宇宙的基本理解还有待深化。或许，这正是我们需要寻找新的物理理论或新的观测方法的信号。如果我们能够发现一个全新的宇宙，那么我们就可以开始研究它了。

（编辑：南京站长网）

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