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破纪录的万神殿+超新星研究揭示了我们宇宙的构成( 二 )

月球 科学家 月亮 月壤


在天文学中 ， 我们没有灯泡 ， 但这些 Ia 型超新星具有相同的功能：它们是我们所谓的标准蜡烛的一个例子 。 我们知道它们本质上有多亮 ， 因此当我们测量它们的光曲线并查看它们看起来有多亮（以及其他一些特征）时 ， 我们可以计算出它们离我们有多远 。 当我们添加一些其他信息时 ， 例如：
这些超新星发出的光发生了多么严重的红移 ，
以及红移和距离如何与膨胀宇宙中存在的各种形式的能量相关联 ，
我们可以使用这些超新星数据来告诉我们宇宙中存在什么以及空间在其历史中是如何扩展的 。 拥有 1550 颗 Ia 型超新星 ， 跨越 107 亿年的宇宙历史 ， 最新的 Pantheon+ 结果是对宇宙好奇者的一场盛宴 。

这张图显示了作为 Pantheon+ 分析一部分的 1550 颗超新星 ， 绘制为星等与红移的函数 。 它们都符合我们的标准宇宙学模型预测的路线 ， 即使是红移最高、距离最远的 Ia 型超新星也遵循这种简单的关系 。
宇宙是如何膨胀的？
这是超新星数据擅长直接回答的问题：假设数量最少 ， 方法固有的错误最小 。 对于我们拥有的每一颗超新星 ， 我们：测量光线 ， 在膨胀的宇宙的背景下推断到物体的距离 ， 还测量红移（通常通过红移到确定的宿主星系） ， 然后将它们全部绘制在一起 。
这正是上图所显示的：遥远超新星的测量亮度（y 轴上）和每颗超新星测量的红移（x 轴上）之间的关系 。
你看到的黑线显示了你期望从最合适的宇宙模型得到的结果 ， 假设没有什么有趣或可疑的（即 ， 没有新的、未识别的物理学）正在发生 。 同时 ， 顶部面板显示了叠加在宇宙模型顶部的带有误差线的单个数据点 ， 而底部面板只是简单地“减去”了最佳拟合线并显示了与预期行为的偏差 。
正如你所看到的 ， 理论和观察之间的一致性是惊人的 。 宇宙正在按照已知的物理定律完全一致地膨胀 ， 即使在最远的距离——如红色和紫色数据点所示——也没有明显的差异 。

Pantheon+ 分析的联合约束 ， 以及重子声学振荡 (BAO) 和宇宙微波背景 (Planck) 数据 ， 对以物质形式和暗能量或 Lambda 形式存在的宇宙部分的约束 。 据我们所知 ， 我们的宇宙包含 33.8% 的物质和 66.2% 的暗能量 ， 只有 1.8% 的不确定性 。
什么构成了宇宙？
现在我们开始进入有趣的部分：使用这些数据来弄清楚宇宙在最大尺度上发生了什么 。 宇宙由许多不同类型的粒子和场组成 ， 包括：暗能量 ， 是某种空间结构固有的能量；暗物质 ， 它导致了宇宙中大部分的引力；正常物质 ， 包括恒星、行星、气体、尘埃、等离子体、黑洞以及由质子、中子和/或电子构成的所有其他物质；中微子 ， 它们是极轻的粒子 ， 具有非零静止质量 ， 但其数量超过正常物质粒子约十亿比一；和光子或光粒子 ， 它们在热大爆炸的早期和晚期由恒星产生 ， 以及其他来源 。
仅查看上面 Pantheon+ 的超新星数据 ， 我们就可以看到彩色阴影轮廓 。 但是 ， 如果我们也将通过检查宇宙的大尺度结构（上面标记为 BAO）和大爆炸的剩余辐射（上面标记为普朗克）获得的信息也折叠起来 ， 我们可以看到只有一个所有三个数据集都重叠的非常窄的值范围 。 当我们把它们放在一起时 ， 我们发现宇宙是由大约：
66.2% 暗能量 ，
33.8% 物质 ， 正常和暗相结合 ，
以及微不足道的少量其他东西 ，
每个组件 ， 总计 ， 具有±1.8％的总不确定度 。 它引导我们最准确地确定“我们的宇宙中有什么？” 有史以来 。

尽管所有数据集都同意我们宇宙的许多方面 ， 但宇宙膨胀的速度并不是其中之一 。 仅根据超新星数据 ， 我们可以推断出约 73 km/s/Mpc 的膨胀率 ， 但超新星并未探测到我们宇宙历史的前约 30 亿年 。 如果我们包括来自宇宙微波背景的数据 ， 它本身非常接近大爆炸 ， 此时此刻存在不可调和的差异 。
宇宙膨胀的速度有多快？
我有没有说过发现宇宙的组成是乐趣的开始？好吧 ， 如果这对您来说很有趣 ， 那么请做好准备 ， 因为下一阶段完全是香蕉 。 如果你知道你的宇宙是由什么组成的 ， 那么如果你想知道宇宙膨胀的速度有多快 ， 你需要做的就是从数据集中读取与“距离”和“红移”相关的直线的斜率 。
这就是问题真正出现的地方 。
如果只使用超新星数据（此处标记为“Pantheon+ & SH0ES”） ， 您会看到允许值的范围非常窄 ， 峰值为 73 km/s/Mpc ， 不确定性非常小大约 ±1 km/s/Mpc 。

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