宇宙膨脹速度是多少？從強引力透鏡能「看到」正確答案嗎

圖片：NASA

科技日報記者 唐芳

大爆炸宇宙學最主要的觀測證據之一，就是哈勃定律所揭示的宇宙膨脹現象，對於宇宙膨脹速度的研究關乎宇宙本質。如果說宇宙正在不斷膨脹，那麼它膨脹的速度到底有多快呢？

天文學上用哈勃常數來表示當前宇宙膨脹速度。科學家通過宇宙距離階梯方法和宇宙微波背景輻射方法，得出的哈勃常數分別為74.03±1.42km/s/Mpc（即距離地球326萬光年的天體退行速度為每秒74千米），誤差2%和67.4±0.5km/s/Mpc，誤差0.7%。顯然，這兩種結果存在明顯的偏差，這就是哈勃常數危機。近日，第三種獨立觀測結果的揭曉，使得對宇宙膨脹速度的研究更為撲朔迷離。

一個國際天文學研究團隊利用強引力透鏡效應，通過10年的持續觀測，測得哈勃常數為67.4，誤差5%。該研究結果於11月20日發表在《天文學與天體物理學》雜誌上。

兩種方法各有缺陷 導致哈勃常數之爭

北京師範大學天文系教授胡彬在接受科技日報記者採訪時表示，測量宇宙膨脹速度的方法有很多，相對而言，宇宙距離階梯方法和宇宙微波背景輻射方法是最準確的兩種。

那麼，為何這兩種測量方法會得出不同的答案？上述研究團隊成員之一、武漢理工大學理學院副教授廖愷表示，這有兩種可能，一是由於未知的系統誤差，如儀器、處理方式或未知的天體物理過程等所帶來的誤差；二是當前宇宙標準模型的假設可能存在錯誤，例如宇宙可能不平坦、暗能量狀態方程有誤或存在未知的中微子分支等。

廖愷進一步解釋道，宇宙距離階梯方法是一種直接測量方法。由於Ⅰa型超新星本身的光度恆定，它們又被稱為宇宙標準燭光。科學家可以通過測量Ⅰa型超新星的亮度變化來測量它們遠離我們的速度，藉此便可以推算出宇宙膨脹的速度是多少。「每一步天體校準過程都會不可避免地產生系統誤差，多次校準後，可能會使得結果精確但不準確。」他表示。

而關於宇宙微波背景輻射方法，胡彬表示：「儘管這一測量方法本身十分準確，但是其對哈勃常數的計算屬於間接測量，比較依賴宇宙學模型的假定。」

「傳統測量哈勃常數方法的缺陷可能在短期內無法得到有效修正。因此才有了『哈勃常數爭論』。」廖愷表示，最新研究中第三種獨立的測量方法——利用強引力透鏡效應也許能夠提供新的視角。

當然，除了上述3種哈勃常數測量方法外，科學家一直在尋找更多新的測量方式。廖愷此前曾提出利用瞬變源測量哈勃常數，他認為宇宙中如各類超新星、伽馬射線暴和它的餘輝、重複快速射電暴，甚至是引力波等瞬變源，都可以用於測量哈勃常數。

第三種方法早已有之 10年觀測獲得高質量數據

事實上，早在20世紀60年代，就曾有人提出利用強引力透鏡效應測量哈勃常數，但是由於觀測數據質量較低、理論認識不足等原因，這一方法直到近幾年才被學界廣泛認同。

引力透鏡效應，是指電磁波或引力波在大質量天體附近經過時，會像通過透鏡時一樣發生偏轉，從而在觀測者眼中形成多個像。

廖愷介紹道，強引力透鏡指宇宙學距離上的類星體、前景的透鏡星系和地球處於三點一線的位置時，透鏡星系的引力場會讓類星體產生多個像，且每個像到達地球的時間不同。因此，強引力透鏡效應可以幫助科學家進行絕對距離測量，也就是測量所謂的「時間延遲距離」，它的值反比於哈勃常數。

廖愷表示，根據強引力透鏡原理得到「時間延遲距離」，需要3種測量數據支撐。

一是測量多像延遲時間。透鏡化類星體對應多個像，除了整體放大不同和在觀測時間上有整體平移，它們的光變曲線幾乎長得一模一樣。通過對光變曲線的對比就可以測量不同的像到達地球的時間差，這個過程需要多年的測光監測。

二是對於費馬勢即透鏡星系引力勢的測量。所謂引力勢，即透鏡星系的質量分布對應一個引力勢場，在其中光的傳播會發生偏折，出現引力透鏡效應。測量引力勢，需要利用哈勃太空望遠鏡等獲取高質量類星體活動星系核所在星系的光弧成像，進而得到恆星運動學中心彌散速度數據等。

三是對於視線方向物質漲落的測量。此效應會和哈勃常數混合到一塊，需要單獨利用星系計數和弱引力透鏡等測量方法將它們區分開來。

在廖愷看來，此次最新研究成果得益於高質量的數據。「研究人員堅持觀測10年之久，藉助最先進的分析程序和國際團隊合作，讓研究結果『既準確又精確』。」

中國科學院國家天文臺副研究員李然也認為，此項研究獲得了一批最新數據，是第三種獨立觀測方法所取得的重要進展。

準確度比精確度更重要 控制系統誤差很關鍵

對於哈勃常數的研究而言，準確度遠比精確度重要。而提高準確度的手段，便是儘可能控制各方面的系統誤差。

李然介紹道，此前科學家曾經使用6個強引力透鏡樣本測量哈勃常數。此次研究團隊使用33個強引力透鏡樣本去分析此前6個強引力透鏡樣本的系統誤差，樣本數量的增加讓研究人員能夠更好地控制系統誤差，因此取得了更精確的結果。

此前研究團隊的測量結果為73.3，誤差2.4%，與宇宙微波背景輻射方法所得的結果矛盾。而此次研究團隊給出哈勃常數為67.4，誤差5%。在科學上與宇宙微波背景輻射方法以及此前團隊的研究結果都不矛盾。

「雖然本次測量的精確度下降了，但這一結果在當前技術下做到了最大程度的準確度。」廖愷認為。

研究人員在研究了33個星系以及星系透鏡系統後，發現透鏡星系很可能受到「質量簡併」效應的影響。所謂「質量簡併」，即在重子主導範圍內，均勻分布的暗物質僅會對時間延遲造成影響，而不會改變其他觀測量，從而影響哈勃常數的測量。在考慮了這一效應帶來的影響後，研究人員能夠更加準確地描述透鏡星系，因此得出的哈勃常數發生了一定的改變，特別是統計誤差顯著地增大。

廖愷表示，與傳統測量方法一樣，強引力透鏡也有著自身特有的系統誤差，每一次測量都可能受到複雜的天體物理過程影響而不夠準確。

李然也表示，強引力透鏡的局限性主要體現在可能會受到視線方向上物質的幹擾，因此透鏡系統建模的精確程度會影響測量準確度。

廖愷告訴記者，未來研究團隊將在3個方面提高哈勃常數測量的準確性和精確性，最終目的是得到1%精度的哈勃常數結論，從而解決這個宇宙學難題。

一是增加新樣本，最終樣本量可能會達到40個。二是利用自適應光學和下一代空間望遠鏡，得到更加高質量的圖像。三是研究新的算法來打破質量簡併和哈勃常數之間的混淆。

「必須承認，科學家要想通過強引力透鏡的方法解決哈勃常數問題，還需要進一步的努力。」廖愷說。