宇宙學標準理論有問題？新的哈勃常數把宇宙學家們整困惑了

在過去十年間，關於宇宙膨脹率的兩種最準確的測量值存在明顯分歧。宇宙學家曾寄希望於一種獨立的方法來解決這個令人迷惑的難題，結果這種方法反而增添了困惑。

編譯 | 小羽

美國伊利諾伊州芝加哥大學的天文學家Wendy Freedman領導的團隊以一種獨立的觀測手段測量了哈勃常數的數值，這個最新的分析結果已於2019年7月16日對外公佈，並且即將發表在《天體物理學報》（Astrophysical Journal）上［1］。

Freedman的團隊展示了一種利用紅巨星來測量宇宙膨脹的技術。這種技術有望取代天文學家們已經使用了一個多世紀的方法。但是，目前它所測量出的宇宙膨脹速率落在了兩個爭議值的中間，無法解決之前兩種測量手段獲得的不同結果所引起的爭端。

“宇宙在這事兒上是在消遣我們嗎？”一名天體物理學家就此文章發了這樣一條推特。

Freedman接受《自然》雜誌採訪時說：“我們現在正在試圖搞清楚這些到底該怎麼整合起來。”如果無法解決宇宙膨脹速率的測量分歧，那麼宇宙學家們用以解讀資料的某些基礎理論——諸如對暗物質本質的假設等——或許是錯誤的。“基本物理仍懸而未決。”Freedman說。

1。宇宙的測速儀

20世紀20年代，美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）等人發現宇宙膨脹。他們的依據是大多數星系都在遠離銀河系運動——越遠的星系退行速度越快。速率和距離的比率大致不變，被稱為哈勃常數，通常記為H0。哈勃那時發現，距離每多一兆秒差距（Mpc，大約3。26兆光年），星系的退行速率就會增加500千米/秒，所以用“千米每秒每兆秒差距（km/s/ Mpc）”這個單位時，哈勃常數就是500。

過去幾十年來，測量方法逐漸改進，天文學家大幅下調了哈勃常數的估計值。Freedman於上世紀90年代率先使用哈勃空間望遠鏡（以擬合方式）測量了哈勃常數，計算得到了大約72這一數字，誤差幅度是正負10%。最近，美國馬里蘭州的約翰·霍普金斯大學的物理諾貝爾獎得主Adam Riess帶領的團隊測定了至今為止最精確的測量值74，誤差僅有正負1。91%。［2］

使用“標準燭光”方法計算哈勃常數是透過建造“宇宙距離階梯”來確定宇宙中的星系與我們之間的距離，這裡涉及三個步驟：（1）尋找宇宙中的“標準燭光”（造父變星）來精確測量我們到鄰近星系的距離；（2）以這些鄰近星系的恆星作為里程標記來測量包含Ia型超新星的更遙遠星系的距離；（3）利用測得的我們到星系之間的距離，以及這些星系發出的光譜線到達地球所產生的紅移，來計算測定宇宙膨脹速率。| 圖片來源：NASA/HUBBLESITE

但是過去十年裡的另一項獨立研究從中攪局。歐洲空間局“普朗克”空間計劃的科學家們測繪出了大爆炸的遺留輻射圖，即所謂的宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background， CMB），並用它來計算宇宙的基本性質。依據關於宇宙的標準理論假設，他們計算出的哈勃常數值為67。8。

歐空局的普朗克（Planck）空間衛星透過精準觀測宇宙早期微波背景輻射，並基於早期宇宙學理論模型和測量早期宇宙應該以多快速率膨脹來預測哈勃常數的數值。| 圖片來源：ESA

67。8和74之間的差距看似小，但是由於兩種觀測方法均已經有所改進，這就逐漸產生了統計上有意義的差異。因此，理論學家已經開始懷疑，上述差異的原因是不是來自宇宙學的標準理論——ΛCDM有什麼問題。

Adam Riess解釋說：“這不僅僅是兩個具有不同結果的觀測實驗。我們正在測量一些完全不同的東西。哈勃空間望遠鏡的觀測實驗是在測量當前宇宙的膨脹速率，而普朗克空間衛星的觀測實驗是基於早期宇宙學理論模型和測量早期宇宙應該以多快速率膨脹而做出的預測。這兩個哈勃常數值之間的不一樣不是巧合，所以我們非常有可能遺漏了連線兩個時代的宇宙學模型中的某些東西。”

這個被稱為ΛCDM（即冷暗物質（Cold Dark Matter）加上宇宙學常數Λ的宇宙學標準理論）模型假設宇宙中存在隱形的冷的暗物質粒子，以及被稱之為暗能量的神秘排斥力（以宇宙學常數Λ來代表其效應）。但宇宙學家們一直絞盡腦汁尋找調整辦法來略微修正這個理論模型，使之能在和關於宇宙的其它一切觀察保持一致的前提下，解決這個問題。“從ΛCDM宇宙學標準模型裡尋找可能的線索很困難，就像是沒有那種鬆散的線頭，你一拽就能解開整個謎團。”芝加哥大學的宇宙學家Rocky Kolb說。

2。尋找“標準燭光”測量哈勃常數

現在，Freedman的測量方法更新了常用的哈勃測量法中的一個關鍵要素，最終得到了落在67。8和74中間69。8這個值。

測量哈勃常數最大的難點在於可靠地測量各個星系到我們的距離。哈勃最初的估演算法基於對較近星系的距離所做的測量。為此，他觀察了一類被稱為“造父變星”的明亮恆星。天文學家勒維特（Henrietta Swan Leavitt）於20世紀初葉發現，這些恆星實際的亮度是可以預測的。因此，透過測量它們在照相版上顯示出的亮度，她就可以計算出恆星有多遠。天文學家把這種標誌性星體稱為“標準燭光”。

然而自此之後，天文學家一直在嘗試尋找比造父變星更好的標準燭光，因為造父變星傾向存在於擁擠、充滿塵埃的區域，這會導致對它們亮度的估算產生誤差。“唯一徹底的解決方案是發展一種獨立的測量法。至今為止我們還從未檢驗過造父變星，”Freedman說。她職業生涯中的大部分時間都用來改進造父變星測量的準確和精密程度了。“她知道所有的東西都埋在什麼地方。”Kolb說。

Freedman和她的同事們完全繞過了造父變星，而選擇了紅巨星——已經膨脹的老年恆星——作為標準燭光，同時選擇超新星爆發作為更遠星系的指示標識。

老年紅巨星是測量當前時刻宇宙膨脹率的一種新方法的焦點。| 圖片來源：NASA/ESA/SPL

3。紅巨星的計算結果

紅巨星比造父變星要常見得多，很容易在星系的邊緣區域找到。在這些區域，恆星之間充分疏離，也沒有塵埃的問題。紅巨星的亮度變化很大，但是當我們考慮整個星系的全部紅巨星族群時，就有了一個很好用的特徵。紅巨星的亮度在數百萬年的時間裡逐漸增加，直到達到最亮的那一刻，然後會突然變暗。如果天文學家把一大群星體的顏色和亮度畫到圖上，紅巨星會顯示成一片點雲，有著明確的邊界。在那邊界上的星體就可以作為標準燭光。

Freedman團隊使用這個方法計算了18個星系和我們之間的距離，對哈勃常數的估算首次達到了可以和基於造父變星的研究相媲美的精確度。

圖中是Freedman團隊挑選用來計算宇宙膨脹速率的星系。他們在星系暈中尋找紅巨星，中間一行圖片是第一行的放大，底下一行是進一步放大，其中的黃色圓圈表示紅巨星。| 圖片來源：NASA， ESA， W。 Freedman （University of Chicago）， ESO， and the Digitized Sky Survey

Riess說，紅巨星研究仍然需要對星系中的塵埃含量做一定的假設，特別是這次研究用作一個基準錨點的大麥哲倫星雲。“估算塵埃含量非常棘手。”Riess表示，對於作者們（Freedman團隊成員）的研究方法為什麼會推匯出哈勃常數的一個較低的估計值，必然會有很多討論。

Freedman團隊的研究結果和“普朗克”觀測資料的預測以及Riess的造父變星計算結果在統計上是相容的，也就是說，與這兩個實驗各自計算的誤差範圍是有所重疊的，而隨著紅巨星資料逐漸積累增加，這個新方法的準確度也會相應提高。在不久的將來很快就可能會勝過造父變星方法，Kolb說。

儘管紅巨星法的測量值可能會向其他兩種測量方法的結果之一偏移，或者保持不變，且其他兩種測量方法的結果向它收斂，但就目前而言，宇宙學家們還有很多謎團要破解。

4。差異的原因

到底要如何解釋宇宙膨脹速率的這些差異呢？

一種被稱為“早期暗能量”理論觀點認為，在早期宇宙中出現了一種意想不到的暗能量，這種暗能量如今已經佔據了宇宙70%的容量。這個理論如果是事實，將表明宇宙的演化就像是由普通物質、暗物質和暗能量三者共同作用的最簡單的戲劇。

天文學家們假設暗能量存在於大爆炸後的最初幾秒，並將所有物質推送到整個空間，然後宇宙開始初始膨脹。暗能量也可能導致了當前的宇宙膨脹速率，這個理論表明，在大爆炸之後不久，存在著又一次暗能量爆發，這使得宇宙比天文學家預測的膨脹得更加快速。

另一種觀點則認為，宇宙中可能包含一種新的亞原子粒子，這些粒子以接近光速的速度運動，被統稱為“暗輻射”，包括先前已知的中微子等粒子，它們來源於核反應和放射性衰變。

第三種可能的解釋是，暗物質與普通物質或輻射的相互作用比先前假設的更強。

Freedman表示：“哈勃常數是確定宇宙的絕對尺度、大小和年齡的關鍵引數，是我們量化宇宙如何演化的最直接方式之一。之前觀測中已經發現的分歧並沒有消失，但是這項新證據表明，對於是否有一個令人信服的理由讓我們確信現在的宇宙學模型裡存在某種根本性的缺陷，目前尚不得而知。”

參考文獻

［1］ Freedman， W。 L。 et al。 Astrophys。 J。 （in the press）。

［2］ Riess， A。 G。 et al。 Preprint at https：//arxiv。org/abs/1903。07603 （2019）。

編譯來源

［1］ https：//www。nature。com/articles/d41586-019-02198-z

［2］ https：//hubblesite。org/contents/news-releases/2019/news-2019-25。html

［3］ https：//hubblesite。org/contents/news-releases/2019/news-2019-28

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