宇宙的标准模型错了吗？与理论不符的新的精确距离测量

艺术家的构想说明了一个载水气体盘绕着一个遥远星系核心的超大质量黑洞运动。通过观察来自此类圆盘的maser发射，天文学家可以使用几何来测量到星系的距离，这是计算哈勃常数的关键要求。

使用国际射电望远镜收藏进行的一组新的精确距离测量，大大增加了理论家修改描述宇宙基本性质的“标准模型”的可能性。

新的距离测量结果使天文学家可以改进对哈勃常数，宇宙膨胀率的计算，该值对于测试描述宇宙组成和演化的理论模型非常重要。问题在于，当应用于普朗克卫星对宇宙微波背景的测量时，新的测量值会加剧先前测量的哈勃常数值与模型预测的值之间的差异。

“我们发现星系比宇宙学标准模型所预测的更近，从而证实了其他类型的距离测量中发现的问题。关于这个问题是存在于模型本身还是用于测试它的度量中，一直存在争议。我们的工作使用完全独立于所有其他方法的距离测量技术，并且我们加强了测量值和预测值之间的差异。美国国家射电天文台（NRAO）的詹姆斯·布拉茨（James Braatz）表示，预测中涉及的基本宇宙学模型很可能就是问题。

Braatz领导了Megamaser宇宙学项目，这是一项国际性的工作，旨在通过寻找具有特定性质的星系来测量哈勃常数，从而使其产生精确的几何距离。该项目使用了美国国家科学基金会的超长基线阵列（VLBA），卡尔·詹斯基超大阵列（VLA）和罗伯特·C·伯德·格林银行望远镜（GBT），以及德国的埃菲尔斯堡望远镜。研究小组在《天体物理学杂志快报》上报告了他们的最新结果。

埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的名字就是轨道哈勃太空望远镜的名字，该望远镜于1929年首先通过测量到星系的距离及其后退速度来计算宇宙的膨胀率（哈勃常数）。一个星系越远，它从地球退缩的速度就越大。如今，哈勃常数仍然是观测宇宙学的基本属性，也是许多现代研究的重点。

测量星系的衰退速度是相对简单的。然而，对于天文学家来说，确定宇宙距离一直是一项艰巨的任务。对于我们自己的银河系中的物体，天文学家可以通过测量从太阳绕地球轨道的相反侧观察时物体位置的表观位移来获得距离，这种现象称为视差。1838年首次对恒星的视差距离进行了测量。

除了我们自己的星系外，视差还很小，无法测量，因此天文学家依赖于称为“标准蜡烛”的物体，之所以命名，是因为它们的固有亮度被认为是已知的。到已知亮度的物体的距离可以根据该物体从地球出现的暗淡程度来计算。这些标准蜡烛包括一类称为造父变星的恒星和一种称为Ia型超新星的特殊类型的恒星爆炸。

估计膨胀率的另一种方法涉及观察遥远的类星体，这些类星体的光由于前景星系的引力作用而弯曲成多个图像。当类星体的亮度发生变化时，该变化会在不同的时间出现在不同的图像中。测量该时间差，以及计算弯弯曲曲的几何形状，即可得出膨胀率的估算值。

根据标准蜡烛和重力透镜类星体确定的哈勃常数产生的ps为73-74公里/秒（速度）/兆帕秒（距离（天文学家偏爱的单位））。

但是，将标准宇宙学模型对哈勃常数进行的预测应用于宇宙微波背景（CMB）的测量（来自大爆炸的剩余辐射）会产生67.4的值，这是一个显着且令人不安的差异。天文学家说，这种差异超出了观测中的实验误差，对标准模型具有严重的影响。

该模型称为Lambda Cold Dark Matter或Lambda CDM，其中“ Lambda”是指爱因斯坦的宇宙常数，是暗能量的表示。该模型将宇宙的组成主要放在普通物质，暗物质和暗能量之间，并描述了自大爆炸以来宇宙是如何演化的。

Megamaser宇宙学项目的重点是星系，在星系中心有含水的分子气体盘绕超大质量黑洞运动。如果在轨道盘的近端几乎是从地球上看到的，则可以使用被称为masers（类似于可见光激光的无线电类似物）的无线电发射亮点来确定盘的物理尺寸及其角度范围，因此，通过几何图形，它的距离。该项目团队使用全球范围内的射电望远镜进行这项技术所需的精确测量。

在最新的工作中，该团队将距离测量结果精炼为四个星系，其距离从1.68亿光年到4.31亿光年不等。结合先前对另外两个星系的距离测量，他们的计算得出的哈勃常数值为73.9 km / s / megaparsec。

“测试宇宙学的标准模型是一个非常具有挑战性的问题，需要对哈勃常数进行有史以来的最佳测量。哈勃常数的预测值与测量值之间的差异指向整个物理学中最基本的问题之一，因此我们希望进行多次独立的测量，以证实该问题并测试模型。我们的方法是几何方法，并且完全独立于其他方法，并且加剧了差异。”天体物理学中心/哈佛大学和史密森尼大学的研究人员，最新论文的主要作者唐·佩斯说。

“测量宇宙膨胀率的maser方法很优雅，并且与其他方法不同，它是基于几何学的。通过测量围绕遥远黑洞的吸积盘中maser点的极精确位置和动力学，我们可以确定到宿主星系的距离，然后确定膨胀率。我们从这项独特技术获得的结果加强了观测宇宙学中一个关键问题的论证。”哈佛大学和史密森尼大学天体物理学中心的马克·里德（Mark Reid）说，他是Megamaser宇宙学项目小组的成员。

“我们对哈勃常数的测量非常接近其他最近的测量，并且在统计学上与基于CMB和标准宇宙学模型的预测非常不同。所有迹象表明标准模型需要修订。”

天文学家有各种方法来调整模型以解决差异。其中一些包括改变关于暗能量性质的假设，远离爱因斯坦的宇宙常数。其他人则着眼于粒子物理学的根本变化，例如改变中微子的数量或类型或它们之间相互作用的可能性。还有其他可能性，甚至更具异国情调，目前科学家尚无明确的证据来区分它们。

“这是观察与理论之间相互作用的经典案例。Lambda CDM模型已经运行了很多年，但是现在的观察结果显然指向需要解决的问题，而且看来问题在于模型。” Pesce说。

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参考：“ Megamaser宇宙学项目。十三。结合哈勃常数约束”，DW Pesce，JA Braatz，MJ Reid，AG Riess，D.Scolnic，JJConden，F.Gao，C.Henkel，CMV Impellizzeri，CY CY和Lo KY Lo，2020年2月26日，《天体物理学期刊快报》。 DOI：
10.3847 / 2041-8213 / ab75f0arXiv：
2001.09213

国家射电天文台是美国国家自然科学基金会的机构，由美国联合大学（Associated University，Inc.）共同合作经营。