哈勃常數(shù)的精確測(cè)量研究獲進(jìn)展

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曉木蟲

哈勃常數(shù)的精確測(cè)量研究獲進(jìn)展

摘要: 　　自1929年埃德溫·哈勃提出星系的視向速度與到觀測(cè)者的距離之間呈現(xiàn)線性關(guān)系（即后來經(jīng)典的哈勃定律）以來，對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量始終是天文學(xué)學(xué)習(xí)中最重要的內(nèi)容之一。哈勃常數(shù)，即哈勃關(guān)系中的斜率，從它的大小可以 ...

　　自1929年埃德溫·哈勃提出星系的視向速度與到觀測(cè)者的距離之間呈現(xiàn)線性關(guān)系（即后來經(jīng)典的哈勃定律）以來，對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量始終是天文學(xué)學(xué)習(xí)中最重要的內(nèi)容之一。哈勃常數(shù)，即哈勃關(guān)系中的斜率，從它的大小可以直接估算出宇宙的年齡。此外，哈勃常數(shù)的獨(dú)立精確測(cè)量，有助于更好地限定宇宙學(xué)常數(shù)。然而，源于不同測(cè)量者或測(cè)量方法之間的系統(tǒng)誤差，對(duì)哈勃常數(shù)的精確測(cè)量并非易事。近日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)科研人員參與的國(guó)際性宇宙學(xué)項(xiàng)目組，基于對(duì)4個(gè)水超盤脈澤系統(tǒng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，精確測(cè)量出哈勃常數(shù)，與其它測(cè)量方法得到的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)一致。上海天文臺(tái)科研人員負(fù)責(zé)了其中1個(gè)系統(tǒng)的分析，該工作已發(fā)表于近期的國(guó)際天文期刊天體物理學(xué)報(bào)（Astrophysical Journal）。
　　傳統(tǒng)的測(cè)量哈勃常數(shù)的方法主要依賴于造父變星以及Ia型超新星。盡管相比數(shù)十年前而言，不同學(xué)習(xí)者之間所測(cè)得的哈勃常數(shù)結(jié)果差距已明顯縮小，但為了能更精確地測(cè)定哈勃常數(shù)，同時(shí)也為了檢驗(yàn)不同測(cè)量方法之間的系統(tǒng)誤差，全新的幾何距離測(cè)量方法也在不斷地被提出，其中22 GHz水超盤脈澤系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)為哈勃常數(shù)的測(cè)量提供了一種全新的可能。
　　在該類天體中，在距離河外星系中心超大質(zhì)量黑洞約1秒差距（parsec; pc，1秒差距=31萬億千米）的吸積盤區(qū)域上分布著大量可以產(chǎn)生22 GHz水超脈澤輻射的水分子，并且這些水分子隨著吸積盤圍繞中心超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于脈澤輻射的準(zhǔn)直性和輻射放大性，通過甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（Very long Baseline Interferometry， VLBI）技術(shù)，每個(gè)脈澤斑的空間位置以及視向速度都可以被精確地測(cè)量出來。
　　“基于對(duì)視向速度的測(cè)量以及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，可以得到脈澤斑到黑洞的物理尺寸。將其與由VLBI測(cè)量得到的脈澤盤的角尺寸結(jié)合，就能得到脈澤盤到觀測(cè)者的幾何距離；再綜合退行速度，就可以推算出哈勃常數(shù)的值了�！鄙虾Ｌ煳呐_(tái)的博士學(xué)習(xí)生高峰介紹說，“要知道，這種方法并不依賴任何宇宙學(xué)模型假設(shè)，因此由脈澤盤系統(tǒng)所得到的幾何學(xué)距離可用于對(duì)不同宇宙學(xué)模型的檢驗(yàn)�！崩眠@種方法，NGC 4258成為了首個(gè)完成幾何距離測(cè)量的盤脈澤系統(tǒng)。
　　基于對(duì)NGC 4258幾何距離測(cè)量的成功，由前美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)魯國(guó)鏞等發(fā)起倡議、美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)博士Jim Braatz領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)于2009年開展了利用河外水超脈澤源對(duì)哈勃常數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性測(cè)量的學(xué)習(xí)項(xiàng)目——超脈澤宇宙學(xué)項(xiàng)目（Megamaser Cosmology Project; MCP）。該項(xiàng)目計(jì)劃在北天區(qū)距離我們50-200Mpc的范圍內(nèi)搜尋到10個(gè)類似NGC 4258的河外水超盤脈澤源。若對(duì)每個(gè)盤脈澤源的幾何距離可以確定到10%的精度，則10個(gè)源的結(jié)果統(tǒng)計(jì)疊加之后可達(dá)到3%的精度。
　　高峰在博士學(xué)習(xí)生期間獲得美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)的Grotel Reber獎(jiǎng)學(xué)金，在魯國(guó)鏞和Jim Braatz的指導(dǎo)下，積極參與了MCP，負(fù)責(zé)完成了對(duì)河外水超盤脈澤源NGC 5765b的幾何距離測(cè)量。NGC 5765b是一個(gè)光學(xué)形態(tài)分類為Sa-b的2型活動(dòng)星系，其中的脈澤輻射是MCP團(tuán)隊(duì)在2012年2月的巡天觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的，圖2為NGC 5765b典型的單天線脈澤譜線輪廓，其中可以明顯地看到脈澤譜線在速度分布上呈現(xiàn)出3簇的特征，符合經(jīng)典的水超盤脈澤的譜線輪廓特征，最中心1簇的速度最靠近星系的退行速度，稱之為系統(tǒng)脈澤。
　　為了進(jìn)一步提高觀測(cè)靈敏度，由位于美國(guó)的甚長(zhǎng)基線陣（Very Long Baseline Array; VLBA）、位于美國(guó)西弗吉尼亞州的綠堤射電望遠(yuǎn)鏡（Green Bank Telescope; GBT）100米單天線以及位于美國(guó)新墨西哥州的VLA構(gòu)成的干涉陣共同進(jìn)行了8次觀測(cè)。
　　與此同時(shí)，為了能得到NGC 5765b中脈澤的加速度，MCP團(tuán)隊(duì)利用GBT 100米射電望遠(yuǎn)鏡開展了對(duì)NGC 5765b為期2年，每月1次的譜線監(jiān)測(cè)觀測(cè)，共收集到19個(gè)歷元的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
　　高峰說：“最后結(jié)合由VLBI觀測(cè)得到的脈澤斑的空間位置分布信息以及由譜線監(jiān)測(cè)觀測(cè)得到的脈澤斑的加速度信息，我們對(duì)NGC 5765b中的脈澤盤進(jìn)行三維擬合，得到脈澤盤的幾何距離。由NGC 5765b給出的哈勃常數(shù)為H0 = 66.0 ± 6.0 km s-1Mpc-1�！�
　　結(jié)合NGC 5765b的幾何距離測(cè)量結(jié)果，MCP團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已發(fā)表了對(duì)4個(gè)河外水超盤脈澤源的幾何距離測(cè)量，并且由該4個(gè)星系共同限定的哈勃常數(shù)為H0 = 67.6 ± 4.0 km s-1Mpc-1 （即誤差5.9%）。
　　將由不同測(cè)量方法所給出的最新的哈勃常數(shù)測(cè)量結(jié)果與MCP結(jié)果進(jìn)行比較，從圖3可以明顯地看出，由傳統(tǒng)的造父變星、Ia型超新星所得的結(jié)果與CMB數(shù)據(jù)在ΛCDM宇宙學(xué)模型下給出的哈勃常數(shù)并不一致，而目前的MCP結(jié)果與上述結(jié)果在1-sigma誤差范圍內(nèi)都是一致的。高峰表示：“為了更好地檢驗(yàn)不同的測(cè)量之間是否相互一致，我們急需對(duì)更多的脈澤源進(jìn)行幾何距離測(cè)量，從而來進(jìn)一步增加MCP測(cè)量結(jié)果的精度。為此，MCP項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)目前正在對(duì)4個(gè)新的河外水超脈澤源進(jìn)行幾何距離測(cè)量，并期望在未來1-2年內(nèi)對(duì)哈勃常數(shù)的限定精度提高到4%以內(nèi)�！�