封面新闻记者 张馨心
近日,全球知名科学期刊《自然》杂志公布2024年度推动科学发展的十大人物榜单。其中,美国国家科学院院士、芝加哥大学天文学家温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)凭借对宇宙膨胀速度的研究突破而入选。

上世纪二十年代,美国天文学家埃德温·哈勃的观测揭示了宇宙在不断膨胀。然而,宇宙膨胀速度究竟有多快,即哈勃常数的准确数值,一直是科学家们争论的焦点。
今年,弗里德曼在这一关键问题上取得重要进展。她创新性地将詹姆斯·韦布空间望远镜的数据与改进后的标准烛光相结合,得出了与早期宇宙预测相符的结果。这一发现极大深化了对宇宙演化的认知。
宇宙膨胀速度为何如此关键?神秘的“标准烛光”究竟是什么?宇宙膨胀与暗能量有怎样的关联?近日,封面新闻记者独家专访温迪·弗里德曼。
我们依然有很多困惑
但相信离真相越来越近了
封面新闻:为什么研究宇宙膨胀速度对理解宇宙演化如此重要?
弗里德曼:二十世纪二十年代,天文学家埃德温·哈勃等人发现,宇宙正在膨胀——因为大多数星系离银河系越来越远,且距离银河系越远的星系,后退的速度也越快。星系远离银河系的速度和星系与银河系的距离之间的比率大致恒定,这一比率被称为哈勃常数。 哈勃常数是描述宇宙演化过程的重要参数,它的倒数与宇宙年龄直接相关,哈勃常数越大,宇宙年龄就越小。
数十年前,当我刚进入这一领域时,学术界正在激烈讨论宇宙的年龄到底是100亿年还是200亿年。为了弄清这个问题,在二十世纪九十年代,我领导了一项利用哈勃空间望远镜进行观测的研究。
哈勃空间望远镜相比地面望远镜,具有巨大优势,能提供更精确的观测数据。最终,我们成功完成了这一任务,使哈勃常数的误差范围不超过10%,改变了之前近两倍的误差。
封面新闻:您在哈勃常数的测量上作出了哪些贡献?
弗里德曼:近年来,哈勃常数的测量一直存在争议,两种主要方法产生了不同结果,第一种基于对宇宙微波背景辐射(大爆炸余辉)的观测,这给出了一个较低的哈勃常数值,大约为67km/s/Mpc,另一种基于观测远处星系衰退速度,并使用造父变星和超新星测量距离的方法给出了更高的值,大约在72-74km/s/Mpc。
我一直通过改进方法和工具试图解决这场争议。除了“造父变星”外,还尝试使用其他类型的“标准烛光”(standard candle),如红巨星,来交叉检验测量结果的工作。
此外,我还使用詹姆斯·韦布空间望远镜使观测数据变得更精准。它不仅能探测光学辐射,还能探测红外辐射。红外波段的辐射有助于最小化尘埃的影响,这对于观测遥远天体尤为重要。此外,它的尺寸更大,其高分辨率使我们能更加清晰地观测这些恒星,从而提取出恒星的光谱信息,同时避免附近其他恒星的干扰。
通过观测工具和测量方法的逐步优化,我们将这些替代标准烛光与超新星数据结合起来,发现哈勃常数更接近宇宙微波背景辐射方法给出的较低值,约为67km/s/Mpc。
封面新闻:争议停止了吗?
弗里德曼:这不意味着这个争议得到了根本解决。我们依然有很多困惑:比如我们对宇宙学演化的理解是否存在盲点?测量方法是否足够科学?幸运的是,我们正处在一个能从多个角度进行检验的阶段,随着数据越来越精确,最终某些理论会被验证,而另一些则会被推翻,但我相信我们离真相越来越近了。
在不同距离的星系中观测红巨星
测量它们的亮度推算星系距离
封面新闻:您提到您尝试使用其他类型的标准烛光来进行交叉验证,能否介绍什么是标准烛光?
弗里德曼:标准烛光是天文学中的一个术语,指的是已经知道光度的天体。其中最常用的标准烛光之一是造父变星。
造父变星的特点其亮度随时间呈现周期性变化。大约一百年前,天文学家亨丽埃塔·莱维特发现,光变周期越长的造父变星,其亮度就越大。
当我们提到标准烛光时,指的是能够用来测量距离的恒星。假设我们在不同距离的星系中观测到某个造父变星,如果观测到它的亮度,并且知道它在银河系中的绝对亮度,通过比较它的观测亮度和已知的绝对亮度,就可以使用距离平方反比定律来计算星系的距离。
理想情况下,我们希望能找到一种标准烛光,这种天体的亮度不需要通过周期等其他方法来“标准化”。我们的研究小组正在发展一种新的标准烛光——红巨星。
红巨星比造父变星更常见,这些恒星在近红外波段有恒定的光度。我们可以在不同距离的星系中观测这些红巨星,并通过测量它们的亮度来推算星系的距离。
我一直秉持一个原则
做任何工作都要使用多种方法
封面新闻:测量哈勃常数一直被视为充满挑战的工作,您能谈谈工作中面临的困难吗?
弗里德曼:测量距离我们数千万甚至上亿光年的恒星非常具有挑战性。
比如,当恒星死亡时,会将尘埃颗粒释放到星际介质中。当我们试图观测这些恒星时,尘埃会干扰观测,使得一些用来测量距离的恒星显得更暗淡,我们会误以为它距离我们更远。除了尘埃,还有许多类似问题,我们统称为系统性误差。即使多次进行测量,如果不纠正这些系统性因素,结果依然会受到影响。
另一个挑战是,每次使用新的仪器都需要进行校准。这意味着我们必须了解探测器的性能,这可能需要很长时间。而且,随着星系距离增大,观测分辨率会逐渐降低。由于探测器的像素大小是固定的,当观测到更远的星系时,它们的尺寸变小,恒星之间的互相干扰会变得更加严重。
除此之外,还有许多人为因素。在数据分析过程中,错误是难以避免的。
因此,我一直秉持一个原则——做任何工作时都要使用多种方法,这样可以避免某些不小心发生的错误,确保结果的准确性。
暗能量为何会加速宇宙膨胀
仍然是一项未解之谜
封面新闻:暗能量仍然被视为宇宙学中最大的谜团之一,它与宇宙膨胀也有密切的关系。您对它有什么看法?
弗里德曼:近几十年研究者才意识到,宇宙不仅仅由我们能够观测到的物质组成,还包括一些我们肉眼看不见、电磁探测器也探测不到的暗物质和暗能量。
据估计,我们能看见的所有物质(包括地球、恒星、行星等)仅占宇宙的5%左右,暗物质约占25%,暗能量约占70%。其中,暗物质具有质量,而暗能量没有质量,对宇宙产生斥力效应,并加速宇宙的膨胀。
暗能量的存在,与爱因斯坦的广义相对论密切相关,但暗能量来自哪里?为什么会加速宇宙的膨胀,仍然是宇宙学的一项未解之谜。
天文学的魅力在于
不把任何事物视为理所当然
封面新闻:是什么激发了您对宇宙的兴趣?你觉得天文学在哪些方面吸引您?
弗里德曼:我对宇宙感兴趣,很大程度是受到父亲的影响。我的父亲对天文学有着浓厚兴趣,他在我很小的时候就陪我一起看夜空,并教给我相关知识。但当时的我并没有意识到,有一天会走上天文学的道路。
对我来说,天文学的魅力在于它从不把任何事物视为理所当然,我们需要大胆提出假设,再去不断验证。如果一个假设被证实不成立,我们便不再考虑它。这种基于证据和理性推理的工作方式非常吸引我,我不仅喜欢这一领域,还喜欢这种每天接受挑战、不断学习的感觉。
天文学领域充满可能性
越来越多的女性进入这一领域
封面新闻:您被《自然》杂志评为2024年度十大人物之一。对此有何感受?
弗里德曼:得知这一消息,感觉非常意外。我们的团队一直在努力解决关于宇宙膨胀速度的分歧,随着詹姆斯·韦布空间望远镜的投入使用,我们正在逐步揭示宇宙的本质。虽然我们还没有完全弄明白,但能够以这种方式得到认可,还是让人感到非常欣慰。
封面新闻:天文被视为男性主导的领域,您对有兴趣进入天文领域的女性有何建议?
弗里德曼:尽管天文仍然是一个男性主导的领域,但据我观察,越来越多的女性进入了这一领域。
如果对天文学、天体物理学以及科学充满兴趣,现在正是进入这个领域的好机会。
天文学领域充满可能性,同时挑战性也非常大,但这种挑战在其他任何领域都可能发生。如果你的兴趣在此,我鼓励你毫不犹豫地追求它。
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