宇宙膨脹得究竟有多快?——矛盾的哈勃常數

關於宇宙膨脹的速度，天文學家測到了兩個相互矛盾的數值。

宇宙學中一定有什麼地方出了問題。這一不安來自對宇宙目前膨脹速度的測量，也就是哈勃常數。

大型國際天文學家團隊通常會使用兩種方法來測定它。所有的團隊都極度的審慎，仔細檢查並核對了自己的結果，他們的測量看上去都確鑿無疑。然而，用一種方法測到的數值就是無法與另一種方法測到的相符。

這一矛盾既危險，又重要。只有一種解釋，要麼至少有一種方法存在普遍的測量誤差，要麼宇宙中存在著某種未知的新物理學。

01

哈勃戰爭

在宇宙學中，圍繞哈勃常數的爭議絕非新鮮。對於確定宇宙的年齡和它的命運來說，哈勃常數至關重要，這強勁地驅動著天文學家來精準測定它的數值。

為了直接測量哈勃常數，天文學家要觀測大量的星系，然後測定每一個星系的兩大關鍵信息：它的距離以及它遠離我們的速度。後者可以通過測量星系所發出光線的紅移來直接確定。但測定距離則要複雜得多。

從20世紀60年代到20世紀80年代，由美國卡耐基天文臺的天文學家艾倫·桑德奇（Allan Sandage）領導的團隊測得的哈勃常數一直穩定在50～55千米/秒/兆秒差距。1兆秒差距等於326萬光年。由美國德克薩斯大學天文學家熱拉爾·德沃庫勒爾（Gérard de Vaucouleurs）領導的另一個團隊測得的哈勃常數則在約100千米/秒/兆秒差距。這一2倍的差別是如此巨 大，科學爭論直接演變成了個人恩怨。

這兩個團隊使用的都是傳統的「距離階梯」方法來測量距離。他們監測了遙遠星系中的造父變星。這類超巨星的光度與其光變周期有關，使得它們成了絕佳的「標準燭光」，即有著公認發光功率的天體。只要使用三角視差測到了銀河系中造父變星的距離，天文學家通過觀測其他星系中某顆造父變星的明暗變化，就能計算出該星系的距離。

圖1 正向旋渦星系M101位於大熊座，距離地球僅2100萬光年。這意味著2011年8月當超新星2011fe在其一條旋臂上爆發時，天文學家可以特別清晰地觀測到它。天文學家還使用哈勃空間望遠鏡對M101中272顆造父變星的周期和光度進行了測量。版權：NASA/ESA/STSCI。

2001年，哈勃空間望遠鏡的關鍵項目公布了對哈勃常數的測量結果，值為72千米/秒/兆秒差距，誤差 36 為正負8千米/秒/兆秒差距。這場圍繞著哈勃常數的戰爭似乎就此偃旗息鼓。使用哈勃空間望遠鏡，天文學家可以觀測到遠在約8000萬光年之外的造父變星。然後使用這些結果來校準遠在13億光年外星系中的其他示距天體。在這個距離上，宇宙膨脹佔據了星系退行速度的主導，星系在其所在星系團內的運動僅會造成很小的幹擾。

最近，使用傳統的距離階梯方法，天文學家測定的哈勃常數為約73千米/秒/兆秒差距，與「哈勃」關鍵項目的結果一致，但精密度更高。然而，通過研究大爆炸殘留下來的宇宙微波背景，另一些天文學團隊測得的哈勃常數約為67千米/秒/兆秒差距。所有這些測量結果都非常精密，但它們的不確定度範圍彼此卻並不重疊。

02

哈勃常數是73千米/秒/兆秒差距

許多宇宙學家相信，哈勃常數的這一矛盾源自測量或系統誤差，最終會煙消雲散。雖然這一主張是合理的，但近來在測量工具和技術上所取得的進展卻把問題指向了相反的方向。根據2019年5月發表的最新結果，因偶然性導致這一差別出現的概率不足十萬分之一。

一個很好的例子就是國際大型合作團隊「態方程超新星哈勃常數」所最新公布的結果。2018年該團隊得到的哈勃常數為73.5千米/秒/兆秒差距，不確定度僅為2.3%。2019年，這一結果得到了進一步校準，哈勃常數為74.03千米/秒/兆秒差距，不確定度已不足2%。

他們使用的是和「哈勃」關鍵項目相同的距離階梯方法，但增加了強有力的新測量工具。其中最重要的就是Ia型超新星，它們是爆炸的白矮星，有著相對均一的光度。通過研究它們增亮和變暗的速度，科學家會仔細地校準它們光度的變化，使之成為理想的標準燭光。由於超新星極為明亮，因此能在比可見造父變星更遠得多的距離上看到它們。

該團隊的天文學家對距離較近可見造父變星且近年來出現過Ia型超新星的星系感興趣。他們分析了19個這樣的星系，對它們進行了獨立的距離測量。為了交叉核對由造父變星和超新星得出的結果，他們還使用了幾何示距天體，例如大麥哲倫雲中的食雙星和旋渦星系 M106中的水脈澤。

圖2 在旋渦星系M106中央超大質量黑洞附近存在一個水巨脈澤，即被放大的由水分子發出的微波輻射。這個脈澤為測量M106的距離提供了一條獨立的途徑，進而幫助校準了距離階梯，由此給出了更為精準的哈勃常數。版權：NASA/ESA/TheHubble Heritage Team (STSCI/AURA)/R. GENDLER。

得益於歐洲空間局的「蓋亞」衛星和「哈勃」上改進的照相機，銀河系中造父變星的距離已變得甚至更為精準。該團隊得到了幾乎與「哈勃」關鍵項目相同的哈勃常數值，但它不確定度的範圍則顯著減小。它與2001年結果的區別就在於數據的質量要好得多。

另一個天文學家團隊「卡耐基超新星項目」也得到了相同的數值。他們在最新的論文中給出了兩個波段上的哈勃常數值，分別為73.2和72.7千米/秒/兆秒差距，它們的不確定度分別為2.3和2.1千米/秒/兆秒差距。

「卡耐基超新星項目」團隊使用了和「態方程超新星哈勃常數」團隊相同的造父變星、食雙星和脈澤數據，但前者採用了不同的方法來分析超新星數據，校準了光度的變化和塵埃引起的紅化效應。

雖然兩者採用了不同的假設和方法，但得到了相同的答案。不過，這兩個團隊採用了相同的造父變星數據，儘管方法不同，但很相似。這多少讓人感覺不怎麼舒服。於是，天文學家希望有另一種方法可以確定這些超新星的距離，確保它們的結果也彼此一致。

為前兩者增添信心的是，另一個團隊最近公布了新的哈勃常數測量結果。使用完全獨立的方法，該國際天文學家團隊花了數年的時間來監測被前景星系引力透鏡的遙遠類星體。由於來自受透鏡效應類星體的光線會沿著多條路徑傳播，因此會在不同的時間到達地球。通過測量這些時間延遲，就能得到哈勃常數。該團隊測到的哈勃常數為72.5千米/秒/兆秒差距，不確定度為3%。

在整個分析中，他們不預設哈勃常數的值，因此在處理數據的過程中並不知道會得到什麼樣的結果。對於避免偏倚來說，這很重要。只有這樣才能保證天文學家不會預先偏向某個哈勃常數值。

於是，這三個團隊的結果完美相符。換句話說，在近域宇宙中得到的哈勃常數完全一樣，都為73千米/秒/兆秒差距。

03

不，哈勃常數為67千米/秒/兆秒差距

如果沒有宇宙微波背景的測量，哈勃常數的問題可能已經被解決了，天文學家會轉向其他的重要研究。雖然並不直接測量哈勃常數，但宇宙微波背景的結果卻十分引人關注。如果已知早期宇宙中的條件以及宇宙的主要成分會如何影響宇宙的膨脹，它們就可以預言哈勃常數應該是多少。

因為宇宙微波背景其實正是大爆炸的餘輝。在宇宙誕生後的38萬年裡，充滿了稠密且不透明的帶電氣體，被稱為等離子體。在等離子體中穿行的聲波會有規則地擠壓和推開物質，形成高密度和低密度區域。它們會在宇宙微波背景中留下印記，使得它的溫度發生微小的改變。在大爆炸之後約38萬年，宇宙膨脹並冷卻到電子可以和原子核結合形成原子。這使得大爆炸所產生的氣體可以不受阻礙地向各個方向輻射光子。在隨後的138億年裡，宇宙的膨脹會把這些遠古的光線紅移到微波波段。

圖3 在這幅哈勃空間望遠鏡所拍攝的圖像中，大多數星系都隸屬於巨大的星系團CLASS B1608+656，距離地球約50億光年。其中也包含了多個引力透鏡現象（例如紅色圓圈放大圖），它們可以為測量哈勃常數提供一條完全獨立的途徑。（該圖中英文單詞「Fred」和「Ginger」是天文學家為星系起的暱稱）版權：NASA/ESA。

暗物質和普通物質間的精確比例會影響這些早期宇宙中的聲波在宇宙微波背景中所產生的溫度變化。美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器和歐洲空間局的普朗克衛星以不斷升高的精密度對整個天空中的這些溫度變化進行了測量，後者得到了目前最好的測量結果。在綜合了其他數據之後，對普朗克衛星數據的精細分析發現，宇宙由68.3%的暗能量、26.8%的暗物質和4.9%的普通物質組成。當宇宙學家把這些數字代入愛因斯坦廣義相對論的方程之後，預言得到的哈勃常數為67.4千米/秒/兆秒差距，不確定度僅為0.5千米/秒/兆秒差距。

宇宙微波背景對哈勃常數的預言是建立在前提假設之上的，那就是宇宙由普通原子物質、冷暗物質和暗能量構成。如果這一假設不完全正確，那它的預言就會出現偏差，但目前並沒有證據能支持這一點。

普朗克衛星的結果與所有其他對宇宙微波背景的測量結果都相符。但這明顯小於在近域宇宙中所測得的哈勃常數，兩者的誤差棒也不重疊。於是，在經歷了上個世紀哈勃常數差2倍的爭議之後，新的哈勃常數戰爭又打響了，只不過這次雙方只差了百分之幾。

但如果哈勃常數的這一差異一直存在下去會怎麼樣？

04

許多未知的物理學

如果未來的觀測無法證明這一差異是由於測量誤差所造成的，那它無疑會重創眼下流行的宇宙學模型，即含宇宙學常數的冷暗物質模型。宇宙學常數最初由愛因斯坦本人引入，它不隨時間和空間變化，會施加一個微小但卻不可阻擋的斥力。因此，在這個模型中宇宙學常數充當了暗能量，使得宇宙膨脹加速。冷暗物質是宇宙中最主要的大質量粒子形式，它們運動的速度較慢。

含宇宙學常數的冷暗物質模型漂亮地解釋了宇宙，幾乎與所有的天文觀測數據都相符。該模型假設，宇宙空間在大尺度上是平坦的，這意味著兩條平行的光線可以不受阻礙地穿行於星系際空間數十億光年依然保持平行。它還假設，愛因斯坦的廣義相對論在宇宙大尺度上依然成立。

目前，這個模型極其成功，宇宙學家絕不會輕易摒棄它，或者是對它進行大幅的修改。然而，在這個模型中卻存在著許多未知的物理學。

圖4 觸鬚星系（NGC4038和NGC4039）位於烏鴉座，距離地球6500萬光年。天文學家把哈勃空間望遠鏡對準了它們，因為這對相互作用星系既擁有Ia型超新星（2007sr），也包含了許多造父變星，可以在這兩種標準燭光間建立聯繫。版權：ESA/NASA/HST。

例如，科學家並不知道是什麼粒子構成了暗物質，甚至都無法肯定它是不是粒子。畢竟，探測暗物質粒子的大量實驗仍然沒有探測到哪怕一個暗物質粒子。此外，科學家也不知道是什麼導致了宇宙加速膨脹。它也許是愛因斯坦的宇宙學常數，也可能是某種會隨著時間變化的場，或者是其他什麼東西。

當人類對宇宙中95%的成分都沒有真正認識清楚的時候，期望能以1%的精度解釋宇宙整個歷史的演化過程幾乎是黃粱美夢。反倒是在這種情況下，含宇宙學常數的冷暗物質模型能如此的成功卻成了一個大大的意外。

05

令人畏懼的挑戰

哈勃常數的差異對於理論家來說是一個挑戰。雖然理論家向來很有創造力，但他們不能憑空想出一個辦法來解決這個矛盾。真正難的地方就在於以一種一致的方式來修改含宇宙學常數的冷暗物質模型，使得它能符合來自早期和晚期宇宙中的大量數據。

逐漸達成的一致是，如果你想尋找這一差異的源頭，那它很可能與早期宇宙中的物理學有關。

有物理學家最近提出了一個想法。他們提出了一種暗能量的形式，它可以適度地改變大爆炸後2～10萬年間的宇宙膨脹速度。這一暗能量模型的優點是無需引入另類的宇宙成分就能解釋哈勃常數測量值的差異。

另一個可行的想法是存在第四種目前未知的中微子，被稱為惰性中微子。它們能增大早期宇宙中輻射的量。把它們加到含宇宙學常數的冷暗物質模型中後，額外的輻射會增大由宇宙微波背景預言的哈勃常數。

這兩個想法都能在不大幅修改含宇宙學常數的冷暗物質模型的情況下，解決哈勃常數的差異，而其他的想法則還會導致額外的效應。

例如，宇宙的空間也許並非是平直的。然而，不平直的宇宙在動力學上是不穩定的，這與宇宙微波背景觀測所發現的極為平直的空間相矛盾。

又或許暗能量並非是宇宙學常數，而是某種會隨著時間變化的場。但這個假設會導致「奇怪」的結果，因為它不會隨著宇宙膨脹而變稀疏，反而會增強。雖然在理論上這種場並非絕對不可能，但多少讓人感覺有點古怪。

另一個更具爭議的想法是，我們恰好處於宇宙中一個密度異常低的區域中。不用說，許多宇宙學家都反對這個觀點，因為沒有理由認為我們所在的地方會有別於宇宙中的其他區域。

06

解決差異

所有的觀測團隊都對自己的方法和結果充滿了高度的信心。幸運的是，不同於陳年舊事中的哈勃常數戰爭，今天的差異並沒有轉變成個人恩怨。相反，它激起了從本源上來解決這個謎的無盡渴望。對於觀測天文學家來說，它意味著進一步削減各自的誤差，如果可能的話可以降到1%。它也意味著新類型的測量。

例如，有天文學家正在嘗試使用距離階梯方法對哈勃常數進行新的測量。不同於使用造父變星，他們使用「哈勃」來觀測遙遠星系暈中最亮的紅巨星，它們有著特定的最大光度。通過觀測星系暈，可以測量其亮度，這能減少背景恆星星光的幹擾。與之相反，造父變星是年輕的恆星，位於多星的星系盤中，其他恆星會對它們的測量結果產生幹擾。造父變星擁有複雜且變化的大氣，而紅巨星則要更為簡單。

圖5 在棒旋星系NGC1015中曾出現了超新星2009ig，（用十字形標記）。該星系還包含有40多顆造父變星（用黃色圓圈標記），這有助於在這兩種關鍵的距離階梯間建立堅實聯繫。版權：NASA/ESA/A.RIESS (STSCI/JHU)。

出於這些原因，有天文學家認為紅巨星是比造父變星更精密的示距天體，它們的數據一致性也更好。目前，該團隊已經測量了17個同時也擁有Ia型超新星的星系中的紅巨星。這一新方法可以對Ia型超新星進行完全獨立的重新校準。

大型巡天望遠鏡將會幫助天文學家精確測量早期宇宙中的密度變化是如何影響今天星系的大尺度分布的。這些信號被稱為重子聲學振蕩，能讓科學家測量宇宙年齡在現在一半時的膨脹速度，銜接對早期宇宙微波背景的觀測和對當今宇宙中距離階梯的測量。

眼下，位於智利的阿塔卡馬宇宙學望遠鏡正在對宇宙微波背景的偏振進行精密的測量。這一結果可以提供獨立的哈勃常數數值。把它的結果和普朗克衛星的數據相結合，可以進一步減小由宇宙微波背景得到的哈勃常數的不確定度，由此可以判斷與近域宇宙結果的差異是增大了還是減小了。

更進一步，雷射幹涉引力波天文臺也可以測量哈勃常數。根據 2017年8月17日觀測到的中子星併合事件，科學家測得哈勃常數為70千米/秒/兆秒差距，但不確定度高達15%。只要在未來的十年裡雷射幹涉引力波天文臺能探測到數十個中子星併合事件，科學家就能把哈勃常數的不確定度降到1%以內。

現在，根據普朗克衛星對哈勃常數的測量結果67.4千米/秒/兆秒差距，宇宙學家計算出的宇宙年齡為138億年。但如果哈勃常數實際上在73千米/秒/兆秒差距左右，取決於對含宇宙學常數的冷暗物質模型所做的相應修改，宇宙年齡會減小几億年。更重要的是，對哈勃常數差異的解釋還能為暗能量提供線索，後者決定著宇宙的最終命運。如果暗能量確為愛因斯坦 的宇宙學常數，那宇宙會永遠膨脹下去，直至冷寂。但動態暗能量則更強大，會碎裂所有的物質。如果暗能量是不穩定的，它會衰變成新的成分，那就會改變整個物理學規律，導致無 法預言的結果。

如果哈勃常數的差異在觀測的不確定度降到1%之後依然存在，那這將證明這一差異是真實的。於是，有必要對含宇宙學常數的冷暗物質模型進行修改，這會著實令人激動。如果真是這樣，那哈勃常數的這一差別可以為我們提供更多有關暗物質和暗能量的深層認識。

END

責任編輯 張長喜

本文轉載天文愛好者雜誌

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