宇宙膨胀的速度究竟有多快?

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发布日期:2017年03月08日 所属分类:新知

在宇宙中——或许是在宇宙学家群体中,一场危机正在酝酿。一些天文学家称,宇宙似乎膨胀得太快了。

最近对遥远星系的距离和速度的测量结果,与宇宙的“标准模型”不符。这个费尽周折得出的模型,在过去20年里一直占据主流地位。

宇宙膨胀的速度究竟有多快?

过去20年里,一直占据主流地位、用以衡量宇宙膨胀速度的“标准模型”似乎出现了偏差。但现在,这个模型的精确度似乎提高了,而宇宙大概又陷入了麻烦。

最新结果显示,一项长期寻找的数据的数值出现了9%的偏差。这项数据叫哈勃常数,用于描述宇宙膨胀的速度。但小小的偏差引发了一场争论,从中可以看出宇宙学家认为自己研究的这门学科已经达到了何等精确的程度。这场争论关乎我们究竟有多了解宇宙。

“如果是真的,我们将学到新的物理,”芝加哥大学(University of Chicago)的温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)说。她把职业生涯中的大部分时间都用在了用图表描述宇宙的大小和膨胀上。

宇宙膨胀的速度究竟有多快?

1931年,阿尔伯特·爱因斯坦(左)和埃德温·哈伯(左二)在威尔逊山天文台。Imagno/Getty Images

哈勃常数得名于发现了宇宙在不断膨胀的威尔逊山天文台(Mount Wilson)和卡内基科学研究院天文台(Carnegie Observatories)天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble),是一个始终困扰着天文学家的东西。在一个不断膨胀的宇宙中,离我们越远的东西后退的速度越快。哈勃常数衡量的就是这种变化的幅度。

但测量哈勃常数须探测天空中的光点——我们永远无法到达或在实验室里复制的恒星乃至星系——的距离。从哈勃所在的时代至今,采用的办法一直是找到所谓的标准烛光,即可通过从地球上看它们时的亮度,计算出其与地球之间的距离的恒星或整个星系。

但校准器本身也需要校准,这引发了一系列不牢靠的假设和测量结果。在这些测量结果中,小小的误差和不一致,比如关于灰尘在多大程度上干扰了观测结果,可能会逐渐变成巨大的差异。就在30年前,著名天文学家在宇宙的年龄是100亿年还是200亿年上还无法达成一致意见。现在,所有人都认定它的年龄约为138亿年。

利用新一代工具,如哈勃太空望远镜,天文学家逐步降低了哈勃常数的不确定性。

越来越近

2001年,弗里德曼率领的一个团队报告的哈勃常数值是72公里每秒每百万秒差距(约330万光年)。天文学家喜欢用这种冗长的单位,它的意思是一个星系与我们之间的距离每增加330万光年,它的移动速度会增加72公里每秒。

哈勃的最初估值要高得多,为500公里每秒每百万秒差距。

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普朗克航天器看到的大爆炸遗留下来的宇宙微波辐射。NASA

弗里德曼的结果有一个误差范围,使它恰好与其他较间接的计算相符。那些计算得出的哈勃常数结果是67,稍微低一些、慢一些。它们来源于对最初的大爆炸火球发射的微波进行的研究。那些微波现在仍留在空中。

结果是,近年来天文学家在这个昏暗、颓靡得堪比双倍黑巧克力布朗尼的宇宙的组成上意见一致。按重量计算,宇宙由大约5%的原子物质、27%的神秘暗物质和68%的暗能量组成。暗能量比暗物质更神秘,正在加快宇宙的膨胀。我们不知道这些黑暗的物质究竟是什么,但这不要紧。关于它们是如何运转的,天文学家有一个精妙的理论,使他们能够讲出一个看上去合理的故事,介绍宇宙是如何从年龄只有一万亿分之一秒的时候进化到现在的。

但现在,哈勃常数的精度似乎提高了,而宇宙可能又陷入了麻烦。

去年夏天,供职于约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)和太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute)的亚当·里斯(Adam Riess)带领的一个团队利用了哈勃太空望远镜和夏威夷冒纳凯阿火山上的巨型望远镜凯克望远镜(Keck Telescope),并把超新星爆炸作为终极距离标记,得出的哈勃常数值为73,正负误差仅为2.4%。

这引起了轩然大波,因为它意味着,如果属实,那么今天观察到的哈勃常数,显然和2013年欧洲普朗克(Planck)航天器从大爆炸残留辐射的相关数据中推断出的67不符。后者更低,代表膨胀速度更慢。普朗克太空飞行任务的观察结果显示的是年龄仅为38万年的宇宙。它们被视作宇宙学的金本位。

宇宙膨胀的速度究竟有多快?

盖亚航天器与银河系。ESA/ATG medialab; background: ESO, via S. Brunier

标准的宇宙构成现在是否需要调整——比如,把一种从大爆炸开始就在太空中涌动的新型亚原子粒子计算在内——取决于你在跟谁讲话。有人说,在一个以争议著称的领域,对通过这么小的一个差异反映出的新物理感到兴奋还为时过早。他们认为,搜集到更多数据,并增强对统计不确定性的了解后,这种差异也许就消失了。

“据我所知,解释永远比问题更可怕,”亚利桑那州立大学(Arizona State University)的理论学者劳伦斯·M·克劳斯(Lawrence M. Krauss)说。

还有一些人则表示这可能是某个大事件的开端。任职于普林斯顿大学(Princeton University)和西蒙斯基金会(Simons Foundation)的宇宙学者戴维·斯佩格尔(David Spergel)称这个偏差“非常有趣”,但表示他还不相信这标志着出现了新的物理。芝加哥大学(University of Chicago)的迈克尔·S·图尔纳(Michael S. Turner)说,“如果这个差异是真实存在的,这可能会扰乱当前非常成功的标准宇宙学模型,也正是年青一代想要的——一个取得大发现、新见解和突破的机会。”

去年夏天晚些时候,里斯和同事斯特凡诺·卡塞尔塔诺(Stefano Casertano)得到了大致相同的结果,73。这巩固了哈勃常数发生了改变的说法。他们使用的是欧洲盖亚(GAIA)航天器提供的早期数据。盖亚正在用三角测量的方法测量逾10亿颗恒星的距离,因而使天文学家能够跳过距离阶梯上较低的一些等级。

他们计算出,这个差异只是统计巧合的可能性不到1%。在扑克牌中,这也许听上去不错,但在物理学中不是。后者要求可能性在100万分之一以下,才能巩固有了新发现的说法。

“我觉得这是一个可能会比较严重的问题,”团队成员之一、加利福尼亚大学(University of California)天文学者亚力克斯·菲利片科(Alex Filippenko)说。“在这个研究领域,细节决定成败。细节没问题了,我们就只剩一个等待解决的难题了。”

接下来怎么办?

宇宙膨胀的速度究竟有多快?

一颗与用来测量宇宙膨胀速度的超新星类似的超新星。NASA

里斯和其他人均表示,现代的和原始的结果都需要进行调整,才能做到准确,因为普朗克只是间接地把哈勃常数作为标准宇宙模型多个参数中的其中一个进行测量的。其他参数也许会得到完善。

这正是也许会出现新的物理的地方。

里斯说,最有可能解释这种差异的,也许是一种新的幽灵粒子,叫中微子。据知,宇宙中存在大量这种粒子。它们分三种,在宇宙中穿行时可从一种变成另外一种。一些物理学家称可能还有一种幽灵粒子,叫惰性中微子,完全不与任何东西相互作用。

他们的发现可能揭开了粒子物理学的新领域,也许还可以说让外界对认识暗物质的追求有所了解。暗物质充斥着太空,为星系提供引力脚手架。

另一种可能性是,在宇宙学模型中,最受欢迎的暗能量形式——被称作宇宙学常数,是爱因斯坦在100年前提出的,后来被当成错误遭到否定——也许不得不被一种危害更大、更有争议的形式所取代。这种暗能量叫幽灵能量,可能会导致宇宙最终膨胀得太快,以至原子都会在距今数十亿年后的一场大撕裂中被撕碎。

“这是一种非常有趣的紧张状态,”里斯说。“这也正是我们玩这个游戏的原因。我们要找的就是某种不正常的东西。”

(据纽约时报  作者/DENNIS OVERBYE  翻译/陈亦亭)

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