科学家进一步完善了宇宙膨胀的速度

克莱姆森大学天体物理学家团队运用最先进的技术和手段，增加了一种新的方法来量化宇宙最基本的定律之一。在11月8日星期五发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文中，克莱姆森的科学家马可·阿杰洛、阿披实克·德赛、利亚·马可图利和迪特尔·哈特曼与世界上其他六位科学家合作，设计了一种新的测量哈勃常数的方法，这种测量单位用来描述宇宙的膨胀速度。

科学院物理与天文学系副教授阿杰洛说：“宇宙学就是要了解我们宇宙的演变，它过去是如何演变的，现在在做什么，未来会发生什么。”我们的知识依赖于许多参数，包括我们努力尽可能精确地测量的哈勃常数。

在这篇论文中，我们的团队分析了轨道望远镜和地面望远镜获得的数据，得出了迄今为止宇宙膨胀速度的最新测量结果之一。”宇宙膨胀的概念是由美国天文学家埃德温·哈勃（1889-1953）提出的，他与哈勃太空望远镜同名，早在第二十世纪，哈勃成为第一批推断宇宙由多个星系组成的天文学家之一，他随后的研究导致了他最著名的发现：星系以一定的速度移动，哈勃最初估计膨胀速度为每秒500公里每兆帕，一兆帕相当于约326万光年。哈勃得出的结论是，一个离我们星系2兆帕远的星系的后退速度是一个离我们星系只有1兆帕远的星系的两倍。这一估计被称为哈勃常数，它首次证明了宇宙正在膨胀，自那以后，天文学家一直在重新校准它，结果好坏参半。

在飞涨技术的帮助下，天文学家们提出了与哈勃最初的计算明显不同的测量方法，将膨胀率降低到每兆帕每秒50到100公里。在过去的十年里，像普朗克卫星这样的超精密仪器以相对戏剧性的方式提高了哈勃最初测量的精度。在一篇题为“利用星系外背景光伽马射线衰减测量哈勃常数和宇宙物质含量的新方法”的论文中，“合作小组比较了费米伽马射线空间望远镜和成像大气切伦科夫望远镜的最新伽马射线衰减数据，以根据银河系外背景光模型得出它们的估计值。这种新策略导致每兆秒秒测量大约67.5公里每秒。伽马射线是最有能量的光，银河系外背景光（EBL）是由恒星或其附近尘埃发出的所有紫外线、可见光和红外线组成的宇宙雾，当伽马射线和EBL相互作用时，它们会留下一个可观察到的印记，这是科学家们在阐述他们的假设时能够分析的一种逐渐消失的流动。

物理学和天文学教授迪特尔·哈特曼（Dieter Hartmann）说：“天文界正在投入大量资金和资源，用包括哈勃常数在内的所有不同参数进行精确宇宙学研究。”我们对这些基本常数的理解已经定义了我们现在所知道的宇宙。当我们对定律的理解变得更加精确时，我们对宇宙的定义也变得更加精确，从而产生了新的见解和发现。

宇宙膨胀的一个常见类比是气球上点缀着斑点，每个斑点代表一个星系。当气球被吹起来时，这些斑点会越来越分散。

物理学和天文学系的研究生助理德赛说：“有人认为气球会膨胀到某个特定的时间点，然后再次坍塌。”但最普遍的看法是，宇宙将继续膨胀，直到万物相距如此之远，不再有可观测的光。在这一点上，宇宙将遭受寒冷的死亡，但这没什么好担心的，如果发生这种情况，那将是数万亿年后的事。”但如果气球的类比是准确的，那到底是什么在吹气球呢？阿杰罗解释说：“物质、恒星、行星，甚至我们，只是宇宙整体构成的一小部分。”

宇宙的大部分是由暗能量和暗物质组成的。我们相信暗能量是在“吹气”。暗能量将物体从彼此之间推开。引力把物体相互吸引，是在局部水平上更强的力，这就是为什么一些星系继续碰撞。但在宇宙距离上，暗能量是主导力量。”其他撰稿人是马德里康普卢滕塞大学的阿尔贝托·多明格斯、哥本哈根大学的拉德克·沃伊塔克、华盛顿特区海军研究实验室的贾斯汀·芬克、冰岛大学的卡里·赫尔加森、安达卢西亚天文研究所的弗朗西斯科·普拉达和瓦迪希·帕利娅，曾在克莱姆森的阿杰罗小组做博士后研究，现在在德国泽乌森的德国电子同步加速器工作。

“我们用伽马射线来研究宇宙学是很了不起的。我们的技术允许我们使用一种独立的策略——一种与现有的方法无关的新方法来测量宇宙的关键特性。”Ajele小组的前博士后研究员多明戈斯说。我们的结果表明，在过去十年中，高能天体物理学的相对较新领域达到了成熟。我们所做的分析为今后使用尚在开发中的切伦科夫望远镜阵列进行更好的测量铺平了道路，这将是有史以来最雄心勃勃的地面高能望远镜阵列。”

本文中使用的许多相同的技术都与阿杰罗和他的同行们之前的工作相关。在早期的一个发表在《科学》杂志上的项目中，阿杰罗和他的团队能够测量宇宙历史上所发射的所有星光。阿杰洛说：“我们所知道的是，来自银河系外源的伽马射线光子在宇宙中向地球传播，在那里它们可以通过与来自星光的光子相互作用而被吸收。”相互作用的速率取决于它们在宇宙中传播的长度。它们的长度取决于膨胀。如果膨胀率很低，它们会移动很小的距离。如果膨胀很大，它们会传播很远的距离。所以我们测量的吸收量很大程度上取决于哈勃常数的值。我们所做的就是扭转这一局面，并利用它来限制宇宙的膨胀率。”

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