哈勃常數危機

2020-11-26 騰訊網

我們的宇宙不僅在大尺度上是均勻且各向同性的，而且宇宙在不斷的膨脹當中。儘管宇宙現在的溫度只有大約2.725開爾文，但是宇宙在早期非常炙熱。熱大爆炸宇宙學很好地詮釋了宇宙的起源和演化。既然宇宙處在不斷膨脹的狀態，那麼宇宙的膨脹到底有多快呢？

1929年，哈勃發現河外星系的退行速度與距離成比例(即距離越大視向速度也越大)，並給出速度-距離比，後來人們稱為哈勃定律。現在，哈勃常數(H)被用來表徵當今宇宙的膨脹率。基於哈勃定律，最近瑞斯等人利用Ia型超新星直接測量了哈勃常數，在68%置信度上得到的結果是H=74.03±1.42 km s-1Mpc-1（Mpc表示百萬秒差距，大約為300萬光年） [1]。另一方面，包含有宇宙學常數和冷暗物質的六參數宇宙模型幾乎可以解釋目前所有的宇宙學觀測數據，因此也被稱為和諧宇宙學模型。歐空局發射的普朗克衛星精確地測量了宇宙微波背景輻射的各向異性，描繪出當前最為精確的宇宙天圖。基於和諧宇宙學模型，普朗克衛星間接地測量了哈勃常數，在68%置信度上的結果為H=67.27±0.60 km s-1Mpc-1[2]。然而，這個結果和瑞斯利用超新星直接測量的結果存在明顯的偏差，並且這種偏差具有越來越高的統計顯示度（已經達到了大約4.4個標準偏差），這就是所謂的哈勃常數危機。

(圖片來源：https://www.ub.edu/web/ub/ca/menu_eines/noticies/2019/10/056.html)

如何彌合這兩個宇宙學觀測對哈勃常數測量的偏差成為當前宇宙學面臨的巨大挑戰之一。SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy期刊於2020年第9期出版了英文專題「Physics Behind theHTension」，由中國科學院理論物理研究所蔡榮根院士擔任特邀編輯，組織了5篇研究論文對此問題進行了深入探究，包括利用其他低紅移觀測數據測量哈勃常數，多流暴漲模型產生的Gpc尺度的空洞，相互作用全息暗能量模型中的惰性中微子，通過改變原子常數影響宇宙複合進程，以及對標量擾動功率譜譜指數限制的影響等。這些研究將有助於探索隱藏在哈勃常數危機背後的物理。

文章列表

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Rong-Gen Cai

Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63(9), 290401 (2020)

Xue Zhang, Qing-Guo Huang

Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63(9), 290402 (2020)

QianHang Ding, Tomohiro Nakama, Yi Wang

Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63(9), 290403 (2020)

Lu Feng, Dong-Ze He, Hai-Li Li, Jing-Fei Zhang, Xin Zhang

Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63(9), 290404 (2020)

MiaoXin Liu , ZhiQi Huang, XiaoLin Luo , HaiTao Miao , Naveen K. Singh , Lu Huang

Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63(9), 290405 (2020)

Rui-Yun Guo, Jing-Fei Zhang, Xin Zhang

Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63(9), 290406 (2020)

參考文獻

[1] A. G. Riess, S. Casertano, W. Yuan, L. M. Macri, and D. Scolnic, Astrophys. J. 876, 85 (2019)

[2] N. Aghanim et al. (Planck Collaboration), arXiv:1807.06209

特邀編輯介紹

蔡榮根

中國科學院理論物理研究所研究員、所長，十三屆全國政協委員，中國科學院院士，國際廣義相對論和引力學會會士，兼任中國物理學會常務理事，中國物理學會學術交流委員會主任，中國物理學會引力和相對論天體物理分會主任，國際廣義相對論和引力學會理事，亞太物理學會天體物理、引力和宇宙學分會副理事長，金磚國家引力、天體物理和宇宙學學會理事長，亞太理論物理中心（APCTP）理事，國家自然科學基金委重大項目「引力波相關物理問題研究」負責人，創新群體項目「粒子物理和宇宙學」負責人。研究領域為引力理論和宇宙學，發表論文260餘篇，論文被引15000餘次，H指數68。

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