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韦伯望远镜重新验证了宇宙膨胀率!结果谜团更神秘了
发布 作者:ItHome 浏览量:0
1929 年,当埃德温・哈勃用实际观测证据证明了宇宙在膨胀后,人们终于把“世界从何而来”的问题从神学家们手里抢了过来。一个“稳得一批”的宇宙显然让人无从下手,但是当你发现它有一个“从小变到大”的过程后,那就有发挥空间了。不过受限于技术条件,人们当时并不清楚宇宙膨胀得有多快,所以对宇宙年龄的推断也只能精确到“百亿年”这个数量级上。后来 1998 年,当第一代“鸽王”哈勃望远镜投入使用后,宇宙年龄的精确度立马提高到了“亿年”量级。而这一切都得益于哈勃望远镜对宇宙膨胀速度(也就是哈勃常数)的精确测量。

1. JWST 重新验证宇宙膨胀率

1929 年,当埃德温・哈勃用实际观测证据证明了宇宙在膨胀后,人们终于把“世界从何而来”的问题从神学家们手里抢了过来。一个“稳得一批”的宇宙显然让人无从下手,但是当你发现它有一个“从小变到大”的过程后,那就有发挥空间了。不过受限于技术条件,人们当时并不清楚宇宙膨胀得有多快,所以对宇宙年龄的推断也只能精确到“百亿年”这个数量级上。后来 1998 年,当第一代“鸽王”哈勃望远镜投入使用后,宇宙年龄的精确度立马提高到了“亿年”量级。而这一切都得益于哈勃望远镜对宇宙膨胀速度(也就是哈勃常数)的精确测量。

然而随着之后普朗克卫星对宇宙微波背景辐射的观测,科学家从另一个视角重新审视了宇宙的演化。然后他们惊讶的发现,普朗克测得的哈勃常数和哈勃的观测结果竟然不一样!虽然这次数量级上没问题,但是误差着实还是有点大。

我们知道,哈勃主要是靠可见光(当然也包括一部分近红外波段)来对造父变星进行观测,从而得到的哈勃常数;而普朗克是通过微波来对宇宙早期的背景辐射进行观测,然后分析宇宙早期的密度波动和之后形成的星系之间的关系,从而推断出哈勃常数。虽然得到的数值不尽相同,但是这两种方法各有各的道理,谁对谁错还真不好说。于是哈勃常数的这一差异,人们称之为“哈勃冲突(Hubble tension)”或者“哈勃常数疑难”。

究竟是什么原因导致了差异的出现呢?

因为普朗克卫星的结果偏全局视角,理应更能体现宇宙的演化过程;而哈勃的观测比较受限,看近处的目标还比较清楚,一旦目标较远或者视线被尘埃遮挡,那就只能靠近红外仪器来观测了,而这并不是哈勃的强项。因此一些科学家认为,差异的产生可能是哈勃的观测结果不够准确的原因。于是人们将希望寄托在了专攻红外波段的 JWST 身上,希望它能对哈勃的观测结果做出裁决。

上个月(2024 年 2 月),一篇发表于《天体物理学杂志快报》上的文章中,研究人员借助 JWST 的高清观测,最终得出结论:之前哈勃的观测结果完全没问题!既然不是哈勃的问题,那说明这里面还隐藏着更深的未知因素。

总之,“哈勃冲突”仍然是目前宇宙学中一个重要的待解决问题。虽然问题原因这次仍未找到,但 JWST 至少帮我们排除了一个错误的选项。

2. 白矮星冷却的可能没那么快

我们知道,白矮星通常来自太阳这种小质量恒星在演化末期剩下的残骸。由于已经无法通过核聚变产生能量,白矮星只能依靠余温来发光发热。一般认为,年纪越大的白矮星,它的温度应该越低。然而对宇宙来说“不出意外的话一定会有意外”。果然,之后天文学家还真就发现一些白矮星的温度比预想的明显要高。这说明这些白矮星或许各个“身怀绝技”,它们通过某种未知的方式抑制了自身的冷却。

最近(2023 年 3 月),一篇发表于《自然》杂志的文章中,研究人员提出了一种新的冷却结晶模型,试图解开白矮星这种神秘的“保温”机制。

根据目前理论,白矮星的整体结构其实和地球类似,在固态的外壳和内核中间是流动的液态物质。当然,这里的液态并不是普通的液体,而是一种处于简并态的热流体。先前人们认为,当白矮星冷却时,这些热流体会先从核心部位逐步向外结晶,直至冷却。然而这项研究认为,一些白矮星中的热流体可能会因为含有杂质,不会直接形成大块的结晶,而是会先形成小的晶粒。这些小晶粒会像水里的冰块一样慢慢上浮,同时较重的液态物质下沉会释放出重力势能,这个过程产生的能量相当可观,足以把白矮星的冷却时间推迟几十亿年。

那为什么有些白矮星推迟,而有些没有推迟呢?研究人员推测,也许是某些白矮星不是单个恒星的残骸,而是形成于两颗恒星的碰撞。碰撞的结果导致了白矮星的内部组成不同,从而产生了这样的冷却差异。

3. 超大质量黑洞形成的新解释

之前说过,超大质量黑洞的起源一直是个谜。上个月(2024 年 2 月),一篇发表于《皇家天文学月刊》上的文章中,研究人员通过神经网络机器学习的方式,提出了一种冷气体吸积的新解释。

通过对 8500 个活动星系核(AGN)的研究,研究人员发现,导致这些超大质量黑洞质量增长的直接原因不是星系合并,而是它们附近存在大量的冷气体。因为分析结果显示,同样是星系合并,对于有着大量恒星的星系和一个恒星没那么多但是富含气体的星系,后者更利于中心黑洞的质量增长。

研究人员推测,虽然星系合并没有直接增加中心黑洞的质量,但是这个过程会把黑洞周围的气体推向中心,从而使其大吃特吃。意思就是,以前我们以为黑洞吃饭主要靠自己慢慢吸,现在发现原来它们可能是被强行灌大的。

4. 最大的双黑洞系统

虽然“吃流食”是黑洞主要的进食方式,但是它们时不时也会“同类相食”,直接吞并对方。虽然这种“一口吃成个胖子”的方式看起来可以让黑洞迅速长大,但实际上双黑洞的合并过程可能会超乎想象的缓慢。

2024 年 1 月,一篇发表于《天体物理学杂志》的文章中,研究人员详细分析了位于 7.5 亿光年外一个椭圆星系(4C+37.11)中的两个超大质量黑洞的合并过程。

这是一个质量高达 280 亿倍太阳质量的双黑洞系统,可以说是迄今为止发现的最大质量的双黑洞系统。如此大的质量,加上所在星系本身的体量也非常庞大,推测它们应该是由众多星系合并后的结果,甚至前身可能是一整个星系团。

不过星系在合并时,它们中心的超大质量黑洞并不会直接正面相撞,而是会进入一个相互环绕的过程。根据以往引力波探测器对恒星级黑洞合并事件的观测,相互环绕的黑洞会向外释放出引力波,同时会把一部分能量转移到周围的恒星身上。因此黑洞会逐渐失去能量从而越靠越近,直至最终合并。

但是这对儿超大质量黑洞已经把周围(不管是恒星还是气体)能甩的都甩干净了,所以它俩的合并过程似乎已经处于停滞状态。鉴于两者目前相距 24 光年,除非今后再来一个星系,或者是有“第三者”黑洞的加入,这才有可能打破目前的僵局完成最终的合并。

论文 & 综述:

  • [1] Adam G. Riess et al. JWST Observations Reject Unrecognized Crowding of Cepheid Photometry as an Explanation for the Hubble Tension at 8σ Confidence[J], The Astrophysical Journal Letters (2024), 962(1)
  • [2] Bédard, A., Blouin, S. & Cheng, S. Buoyant crystals halt the cooling of white dwarf stars. Nature 627, 286–288 (2024)
  • [3] M S Avirett-Mackenzie et al. A post-merger enhancement only in star-forming Type 2 Seyfert galaxies: the deep learning view[J], Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024), 528(4), 6915-6933
  • [4] Tirth Surti et al. The Central Kinematics and Black Hole Mass of 4C+37.11[J], The Astrophysical Journal (2024), 960(2)
  • 文章 & 新闻:
  • WIKIPEDIA: 4C +37.11
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