一個數字表明，我們對宇宙的概念存在根本性錯誤！

2020-10-18 博科園

宇宙中正在發生一個令人費解的謎團，使用不同方法測量宇宙膨脹率不斷出現不一致的結果，這種情況被稱為「危機」。問題集中在所謂的哈勃常數上，這是為紀念天文學先驅埃德溫·哈勃而以其名字命名，哈勃常數描述了宇宙在離地球不同距離處膨脹的速度。利用歐洲航天局（ESA）普朗克衛星的數據，科學家們估計速度為百萬秒67.4千米/秒/Mpc，但是使用被稱為造父變星的脈動恆星計算表明是73.4千米/秒/Mpc。

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到宇宙中遙遠天體的距離。但是如果第二個是正確的，那麼研究人員可能不得不接受奇異的新物理學存在，可以理解的是，天文學家對這種差異非常激動。一個門外漢應該如何看待這種情況呢？這個差異到底有多重要，在局外人看來是次要的？為了弄清差異的真相，天文學家們對哈勃常數進行了測量，而這個「麻煩」開始於埃德溫·哈勃自己。

早在1929年，哈勃就注意到距離越遠的星系，遠離地球的速度比距離越近的星系更快。哈勃發現一個物體離地球的距離和它後退的速度之間存在線性關係。這意味著發生了一些詭異的事情，為什麼我們會成為宇宙的中心？答案並不直觀，因為遙遠的物體沒有移動，在萬物之間創造了越來越多的空間。哈勃意識到宇宙正在膨脹，而且宇宙似乎在以恆定的速率膨脹，這就是哈勃常數。哈勃測量到的數值大約是501km/秒/mpc，這幾乎是目前測量結果的10倍。

多年來，研究人員已經完善了這個常數值。上世紀90年代末，事情變得更奇怪了，當時兩組天文學家注意到，遙遠的超新星變得更暗，因此比預期的距離更遠。這表明宇宙不僅在膨脹，而且在膨脹中也在加速。天文學家將這種神秘現象的歸因於暗能量。在接受了宇宙正在做一些奇怪的事情之後，宇宙學家轉向了下一個顯而易見的任務：儘可能精確地測量膨脹速度。通過這樣，宇宙學家希望從頭到尾追溯宇宙的歷史和演化。

天文學家長把這項任務比作走進跑道，看了一眼賽馬在賽場上跑來跑去。僅憑這一點信息，有人能推斷出所有的馬從哪裡開始，哪一匹會贏嗎？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嘗試。在過去的10年裡，普朗克衛星一直在測量宇宙微波背景，這是宇宙大爆炸的遙遠回聲，它提供了130億年前嬰兒宇宙時期的快照。利用天文臺的數據，宇宙學家可以以極小的不確定性確定哈勃常數的數值。很漂亮，但是這與過去30年一直在做的事情相矛盾。

在這三十年裡，天文學家也一直在使用望遠鏡觀察遙遠的造父變星，並計算哈勃常數。這些恆星根據亮度以恆定的速率閃爍，因此研究人員可以根據其脈動準確地判斷造父變星應該有多亮。通過觀察恆星實際上有多暗，天文學家可以計算出到造父變星的距離。但是使用造父變星對哈勃常數的估計與普朗克衛星數據不匹配。差異可能看起來相當小，但是每個數據點都是相當精確的，並且兩者不確定性之間沒有重疊，但是，每個結果也取決於大量的假設。

回到賽馬的類比，天文學家將其比作試圖找出贏家，同時不得不推斷哪匹馬首先會感到疲憊，這將在最後獲得突然爆發的能量，這將在昨天的雨和許多其他難以確定變量的溼潤草地上滑倒一點。如果造父變星是錯誤的，那就意味著天文學家一直在錯誤地測量宇宙中的距離。但如果普朗克衛星是錯的，那麼有可能新的奇異物理學，將不得不被引入到宇宙學家的宇宙模型中。這些模型包括不同的「刻度盤」，例如存在被稱為中微子的亞原子粒子類型的數量，並且將被用來解釋普朗克衛星的宇宙微波背景數據。

為了使哈勃常數的普朗克值與現有模型相一致，一些「刻度盤」必須進行調整，但大多數物理學家還不太願意這麼做。希望提供另一個可以調解兩者的數據點，天文學家又觀察了紅巨星的光。這些天體在生命的盡頭達到相同峰值亮度，這意味著，就像造父變星一樣，天文學家可以觀察紅巨星從地球上看起來有多暗，可以很好地估計出紅巨星的距離，從而計算出哈勃常數。在新公布的結果中，提供了兩個之前測量值之間的正比數字：69.8km/秒/mpc。

而且不確定性包含了足夠多的重疊，有可能與普朗克的結果一致。但是天文學家還沒有打開香檳軟木塞來慶祝，因為這根本還是不太難了。天文學家想要打破僵局，但紅巨星的哈珀數值沒有說這邊或那邊是對的，只是比大家以前想像的要多得多。更多的研究團隊也加入了進來，COSMOGRAIL的Wellspring(H0LICOW)中的研究小組，正觀察早期宇宙中被稱為類星體的遙遠明亮物體，類星體的光已經被地球和類星體之間大質量物體的引力透鏡放大。

通過研究這些類星體，得出了一個更接近天文學家的估計。來自雷射幹涉儀引力波天文臺(LIGO)的信息可以提供另一個獨立數據點，LIGO觀察來自碰撞的中子星的引力波。但天文學家表示，這樣的計算仍處於初級階段，尚未完全成熟。普朗克衛星數值，造父變星數值，紅巨星數值，類星體數值，中子星碰撞引力波數值都代表著不同的哈勃常數，光看上去就讓人很懵，因為都說的有理有據，但到底誰才是最終的答案呢？這個問題非常重要，需要解決，但可能還需要一些時間進行漫長的研究。

博科園｜文：Adam Mann/Live Science

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