9%的哈勃常數差異,時間相差10億年!我們對宇宙的認識錯了嗎

2020-12-08 騰訊網

在天文學中，很少有參數能像哈勃常數那樣會讓天文學家感到不安。事實上，自從哈勃常數提出90年來，天文學家一直在爭論這個常數的數值，而且理由很充分。

上個世紀20年代末，天文學家埃德溫·哈勃研究宇宙中的星系光譜時發現，除了少數鄰近星系之外，其他星系的退行速度（v）與距離（D）成正比，其比例常數後來被稱為哈勃常數（H0），這個定律就是著名的哈勃定律：v=H0·D。哈勃常數能夠告訴天文學家很多重要的宇宙學信息，包括宇宙的膨脹率和年齡。

如果天文學家能夠非常精確地測量這個常數，這樣就離解決一些重大天文謎團又近了一步。但有一個問題很關鍵，天文學家無法精確測量出哈勃常數，不同方法的測量結果並不一致。

在2019年，由約翰霍普金斯大學的天文學家Adam Riess主導的SH0ES合作項目（超新星H0狀態方程）對哈勃常數進行了迄今為止最精確的測量。不過，他們的測量數值比天文學界普遍接受的要高出9%。

9%的差異不太可能是因而純粹的統計錯誤所致，因為這種概率只有隻有十萬分之一。由此就引發了一個問題：到底誰是對的？

根據哈勃定律，哈勃常數的倒數表示最初星系的退行時間。因此，宇宙的年齡與哈勃常數的倒數呈正相關。因此，如果哈勃常數偏高9%，它所預測的宇宙年齡將會年輕大約10億年。

事實上，關於哈勃常數的分歧歷來就有。當哈勃在1929年發表他對宇宙膨脹的測量時，他對膨脹部分的測量是正確的。然而，哈勃預測的膨脹速度是目前普遍接受的7倍。近一個世紀過去了，圍繞哈勃常數的爭論還在繼續。

近年來，天文學家對哈勃常數的測量精度比以往有了更大的提升，不確定性可以小到1%到2%。但隨著測量方法的改進，過去無關緊要的細微差異變得顯著起來。

目前，天文學家普遍接受的哈勃常數為67.4(千米/秒)/百萬秒差距，這意味著距離地球1000萬秒差距（3260萬光年）的星系正以674千米/秒的速度遠離我們。然而，SH0ES團隊報告的數值為74.03(千米/秒)/百萬秒差距。這種差異足以讓許多天文學家懷疑，我們對宇宙的了解是否正如我們想像中的那樣好。

兩個不同的數值是通過不同的方法測量出來的。第一種方法是利用普朗克衛星測量宇宙微波背景輻射，這會告訴天文學家宇宙在大爆炸後38萬年的膨脹速度。由此，天文學家能夠預測宇宙在130億年後的今天應該會以多快的速度膨脹。

另一方面，SH0ES團隊觀測更年輕的天體，比如亮度不斷變化的變星和超新星。首先，天文學家計算出這些天體的距離。然後，再利用都卜勒頻移計算出這些天體的運動速度。結合天體的距離和速度，就能夠測量出哈勃常數。

原則上，這兩種不同的方法應該會得到相同的哈勃常數。事實上，天文學家並沒有如常所願。SH0ES團隊認為，這種差異是因為從宇宙微波背景輻射中預測哈勃常數的宇宙模型存在輕微缺陷。宇宙的膨脹速率並非均勻的，在過去上百億年裡發生了一些變化。

解決這種差異的一種方法是收集更多的度量數據進行比較，這是天文學家目前正在努力的方向。天文學家組成了一個名為H0LiCOW的合作團隊，他們研究來自遙遠類星體的光在巨大星系團周圍的彎曲，以第三種方法測量哈勃常數。

結果表明，H0LiCOW團隊得到的答案和SH0ES團隊一樣。需要注意的是，這兩種方法彼此沒有任何關係，所以測量結果可能是比較可靠的。

此外，LIGO和VIRGO團隊正試圖用另一種方法測量哈勃常數——引力波。引力波團隊的早期測量結果約為70(千米/秒)/百萬秒差距，這正好處於SH0ES和普朗克估計值之間。不過，引力波方法的測量值具有更大的不確定性。

因此，究竟誰對誰錯還有待觀察。但在一些天文學家看來，另一個問題是，這種差異是否只是人類的錯誤。不管怎樣，整個宇宙歷史上9%的差異並不能說明天文學家對宇宙的基本理解是錯誤的，只是還存在一些問題。

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