哈勃常數的不確定性,引發了宇宙概念危機

2020-12-06 科技領航人

宇宙中正在發生一個令人費解事件，用不同方法測量宇宙膨脹率的結果總是不一致。這種情況被稱為「危機」。

用地面望遠鏡拍攝的大麥哲倫雲的圖像。這張插圖是由哈勃太空望遠鏡拍攝的，它顯示了一個星系團中充滿了變星造父變星，這是一類經常閃爍的恆星。利用這種脈動頻率，科學家們計算了宇宙的膨脹率，但這個數字與其他宇宙現象（如宇宙微波背景輻射大爆炸的回波）得出的數值不匹配。問題集中在哈勃常數上，該常數以美國天文學家埃德溫·哈勃命名，這個單位描述了宇宙在離地球不同距離的膨脹速度。利用歐洲航天局（ESA）普朗克衛星的數據，科學家估計其速度為每百萬光年46200英裡/小時（或者，使用宇宙學家的單位，每百萬分之一秒67.4公裡/秒）。但是，使用名為造父變星的脈動恆星的計算表明，它是每百萬光年50.4英裡/小時（73.4公裡/秒/英裡/秒）。

如果第一個數字是正確的，這意味著科學家們幾十年來，一直在錯誤地測量宇宙中遙遠物體的距離。但是如果第二個是正確的，那麼研究人員可能不得不接受新物理學的存在。值得欣慰的是，天文學家們對這種差異有了大量深入的研究。

一個外行應該如何看待這種情況？這一區別對局外人來說新舊哈勃常數看起來差異很小，對普通人有這麼重要麼？為了找到衝突的根源，芝加哥大學的天文學家、哈勃常數測量小組的一名成員巴裡·馬多爾（Barry Madore）給《現場科學》打了電話。

還得從埃德溫·哈勃本人開始談起。早在1929年，他就注意到，距離地球較遠的星系比距離地球較近的星系移動得更快。他發現一個天體離我們星球的距離和它後退的速度之間存在線性關係。

「這意味著一些可怕的事情正在發生，」馬多爾告訴《現場科學》。「為什麼我們是宇宙的中心？答案並不直觀，那就是[遙遠的物體]不動。在一切事物之間創造了越來越多的空間。」

哈勃意識到宇宙正在膨脹，它似乎以一個恆定的速率膨脹，即是哈勃常數。他測量的值大約是每百萬光年每小時342000英裡（501公裡/秒），幾乎是目前測量值的10倍。多年來，研究人員不斷提高這一比率。

馬多爾說，在20世紀90年代後期，事情變得更怪異，當時兩個天文學家小組注意到遙遠的超新星變得更暗，因此比預期的要遠。這表明，宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹。天文學家把這種神秘現象的原因命名為暗能量。

在接受了宇宙在做一些奇怪的事情之後，宇宙學家轉向下一個顯而易見的任務：儘可能精確地測量宇宙膨脹加速度。通過這樣做，他們希望能夠從頭到尾追溯宇宙的歷史和演化。

馬多爾把這項任務比作走進賽馬場，一眼就能看到馬匹在場地上奔跑。從這些信息中，有人能推斷出所有的馬都是從哪裡開始的，哪一匹會贏？

這類問題聽起來似乎不可能回答，但這並沒有阻止科學家們去嘗試。過去10年裡，普朗克衛星一直在測量宇宙微波背景，這是大爆炸的遙遠回聲，它提供了130億年前嬰兒宇宙的快照。利用天文臺的數據，宇宙學家可以用極小的不確定度來確定哈勃常數的一個數字。

「真漂亮，」馬多爾說，但「這與人們過去30年的所作所為相矛盾。」

在這三十年裡，天文學家也一直在使用望遠鏡，來觀察遙遠的造父變星並計算哈勃常數。這些恆星根據其亮度以恆定的速率閃爍，因此研究人員可以根據造父變星的脈動準確判斷造父變星的亮度。通過觀察恆星實際上有多暗，天文學家可以計算到它們的距離。但是使用造父變星對哈勃常數的估計與普朗克的估計不匹配。

這種差異看起來可能相當小，但每個數據點都非常精確，不確定性之間沒有重疊。馬多爾說，雙方都互相指責，稱對方在公布結果時犯了錯誤。

但是，他補充說，每個結果也依賴於大量的假設。回到賽馬的類比中，馬多爾把它比作在賽馬中試圖找出勝利者的同時，必須推斷出哪匹馬會先疲勞，最後那匹馬會突然獲得能量爆發，還有賽馬當天的是否會下雨，下雨草地會有多滑，把賽馬過程的變量一 一確定下來。

馬多爾說，如果造父變星小組是錯誤的，那就意味著天文學家一直在錯誤地測量宇宙中的距離。但是如果普朗克是錯的，那麼新的和奇異的物理學很可能必須被引入宇宙學家的宇宙模型中，他補充道。這些模型包括不同的錶盤，例如存在的被稱為中微子的亞原子粒子的數量，它們被用來解釋衛星的宇宙微波背景數據。馬多爾說，為了使哈勃常數的普朗克值與現有模型相一致，一些錶盤必須進行調整，但大多數物理學家還不太願意這樣做。

馬多爾和他的同事們最近研究了紅巨星的光芒，希望能提供另一個可以在雙方之間進行調解的數據點。這些天體在其生命末期達到相同的亮度峰值，這意味著，就像造父變星一樣，天文學家可以通過觀察它們在地球上看起來有多暗，來對它們的距離進行很好的估計，從而計算出哈勃常數。

7月份公布的結果提供了兩個先前測量值之間的一個確切數字：47300英裡/小時/百萬光年（69.8公裡/秒/MPc）。不確定性包含了足夠的重疊，可能與普朗克的結果一致。

其他科研團隊也參與了進來。一個名為「宇宙之泉中的H0透鏡」（H0licow）的小組，正在觀察早期宇宙中被稱為類星體（quasars）的遙遠明亮物體，它們的光被我們和它們之間的巨大天體引力透鏡化。通過研究這些類星體，研究小組最近提出了更接近天文學家的估計值。來自雷射幹涉儀引力波觀測臺（LIGO）的信息，它觀察碰撞中子星產生的引力波，可以提供另一個獨立的數據點。但馬多爾說，這種計算還處於早期階段，尚未完全成熟。

馬多爾說，他認為普朗克和天文學家之間的中間數字最終將佔上風，儘管他目前不會過多地押注這種可能性。但是，在找到一些結論之前，他希望看到研究人員的態度有所緩和。

「堅持自己是對的人在這件事上製造了很多泡沫。」他說，「擠泡沫，測算出真實的哈勃常數，這是非常重要的，亟需解決，但這需要時間。」

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