哈勃常数的精确测量研究获进展

哈勃常数的精确测量研究获进展
2017/5/9 中科院之声

     自1929年埃德温·哈勃提出星系的视向速度与到观测者的距离之间呈现线性关系(即后来经典的哈勃定律)以来，对哈勃常数的测量始终是天文学研究中最重要的内容之一。哈勃常数，即哈勃关系中的斜率，从它的大小可以直接估算出宇宙的年龄。此外，哈勃常数的独立精确测量，有助于更好地限定宇宙学常数。然而，源于不同测量者或测量方法之间的系统误差，对哈勃常数的精确测量并非易事。近日，中国科学院上海天文台科研人员参与的国际性宇宙学项目组，基于对4个水超盘脉泽系统的长期监测数据，精确测量出哈勃常数，与其它测量方法得到的结果在误差范围内一致。上海天文台科研人员负责了其中1个系统的分析，该工作已发表于近期的国际天文期刊《天体物理学报》(Astrophysical Journal)。

     传统的测量哈勃常数的方法主要依赖于造父变星以及 Ia 型超新星。尽管相比数十年前而言，不同研究者之间所测得的哈勃常数结果差距已明显缩小，但为了能更精确地测定哈勃常数，同时也为了检验不同测量方法之间的系统误差，全新的几何距离测量方法也在不断地被提出，其中22 GHz 水超盘脉泽系统的发现为哈勃常数的测量提供了一种全新的可能。

     在该类天体中，在距离河外星系中心超大质量黑洞约1秒差距(parsec; pc，1秒差距=31万亿千米)的吸积盘区域上分布着大量可以产生22 GHz 水超脉泽辐射的水分子，并且这些水分子随着吸积盘围绕中心超大质量黑洞进行旋转运动。由于脉泽辐射的准直性和辐射放大性，通过甚长基线干涉测量(Very long Baseline Interferometry, VLBI)技术，每个脉泽斑的空间位置以及视向速度都可以被精确地测量出来。

     “基于对视向速度的测量以及长期监测，可以得到脉泽斑到黑洞的物理尺寸。将其与由 VLBI 测量得到的脉泽盘的角尺寸结合，就能得到脉泽盘到观测者的几何距离；再综合退行速度，就可以推算出哈勃常数的值了。”上海天文台的博士研究生高峰介绍说，“要知道，这种方法并不依赖任何宇宙学模型假设，因此由脉泽盘系统所得到的几何学距离可用于对不同宇宙学模型的检验。”利用这种方法， NGC 4258 成为了首个完成几何距离测量的盘脉泽系统。

     基于对 NGC 4258 几何距离测量的成功，由前美国国家射电天文台台长鲁国镛等发起倡议、美国国家射电天文台博士 Jim Braatz 领导的国际研究团队于2009年开展了利用河外水超脉泽源对哈勃常数进行系统性测量的研究项目——超脉泽宇宙学项目(Megamaser Cosmology Project; MCP)。该项目计划在北天区距离我们50-200 Mpc 的范围内搜寻到10个类似 NGC 4258 的河外水超盘脉泽源。若对每个盘脉泽源的几何距离可以确定到10%的精度，则10个源的结果统计叠加之后可达到3%的精度。

     高峰在博士研究生期间获得美国国家射电天文台的 Grotel Reber 奖学金，在鲁国镛和 Jim Braatz 的指导下，积极参与了 MCP ，负责完成了对河外水超盘脉泽源 NGC 5765b 的几何距离测量。 NGC 5765b 是一个光学形态分类为 Sa-b 的2型活动星系，其中的脉泽辐射是 MCP 团队在2012年2月的巡天观测中发现的，图2为 NGC 5765b 典型的单天线脉泽谱线轮廓，其中可以明显地看到脉泽谱线在速度分布上呈现出3簇的特征，符合经典的水超盘脉泽的谱线轮廓特征，最中心1簇的速度最靠近星系的退行速度，称之为系统脉泽。

     为了进一步提高观测灵敏度，由位于美国的甚长基线阵(Very Long Baseline Array; VLBA)、位于美国西弗吉尼亚州的绿堤射电望远镜(Green Bank Telescope; GBT)100米单天线以及位于美国新墨西哥州的 VLA 构成的干涉阵共同进行了8次观测。

     与此同时，为了能得到 NGC 5765b 中脉泽的加速度， MCP 团队利用 GBT 100米射电望远镜开展了对 NGC 5765b 为期2年，每月1次的谱线监测观测，共收集到19个历元的观测数据。

     高峰说：“最后结合由 VLBI 观测得到的脉泽斑的空间位置分布信息以及由谱线监测观测得到的脉泽斑的加速度信息，我们对 NGC 5765b 中的脉泽盘进行三维拟合，得到脉泽盘的几何距离。由 NGC 5765b 给出的哈勃常数为 H₀ = 66.0 ± 6.0 km s^-1Mpc^-1。”

     结合 NGC 5765b 的几何距离测量结果， MCP 团队现已发表了对4个河外水超盘脉泽源的几何距离测量，并且由该4个星系共同限定的哈勃常数为 H₀ = 67.6 ± 4.0 km s^-1Mpc^-1(即误差5.9%)。

     将由不同测量方法所给出的最新的哈勃常数测量结果与 MCP 结果进行比较，从图3可以明显地看出，由传统的造父变星、 Ia 型超新星所得的结果与 CMB 数据在 ΛCDM 宇宙学模型下给出的哈勃常数并不一致，而目前的 MCP 结果与上述结果在 1-sigma 误差范围内都是一致的。高峰表示：“为了更好地检验不同的测量之间是否相互一致，我们急需对更多的脉泽源进行几何距离测量，从而来进一步增加 MCP 测量结果的精度。为此， MCP 项目团队目前正在对4个新的河外水超脉泽源进行几何距离测量，并期望在未来1-2年内对哈勃常数的限定精度提高到4%以内。”

图1：NGC 4258 的多波段数据合成图，其中紫色对应于来自甚大阵(Very Large Array; VLA)的射电波段辐射。

图2. NGC 5765b 的 GBT 单天线谱线轮廓。

     图3. 不同测量方法所给出的最新的哈勃常数测量结果。

     来源：中国科学院上海天文台

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