宇宙究竟膨胀得有多快？新的测量方法来了！

在宇宙学领域，有一个数字引发了巨大的争议，这个数字就是哈勃常数（H₀），它决定了我们的宇宙究竟膨胀得有多快。然而，两种主要被用来测量哈勃常数的方法，却产生了不尽相同的结果。

现在，一个国际研究团队在《科学》和《天体物理学杂志》上发表了两篇新的论文，描述了他们采用一种新的方法测量了哈勃常数。这种方法涉及到由一颗爆炸的恒星发出的光在抵达地球前，在膨胀的宇宙中经历了多条蜿蜒的路径。

新研究所测得的哈勃常数结果为66.6km/s/Mpc（Mpc是百万差距秒，这个数值意味着距离地球百万秒差距的星系正在以66.6km/s的速度远离我们），这一结果与两种主要方法中的其中一种非常接近。

这是否意味着，争论已经解决？或许答案没有这么简单，要回答这个问题，让我们从上世纪初开始说起。

  标准烛光与膨胀的宇宙  

大约在1908年，天文学家亨丽爱塔·勒维特（Henrietta Leavitt）发现了一种测量造父变星的内禀亮度的方法。造父变星的亮度会呈规律的周期变化，勒维特指出其内禀亮度与这个周期的长度有关。

根据勒维特发现的定律，科学家使用造父变星作为“标准烛光”。这是一些已知内禀亮度的天体，可以被用于计算距离。

标准烛光是如何运作的呢？我们可以用路边的路灯来做类比。假如你现在站在一条又长又黑的街道上，只有几根路灯立在路边，每个路灯都有相同的灯泡，这些灯泡都具有相同的功率。你会发现，离你更远的路灯看起来比近的暗一些，因为根据光的平方反比定律，光的亮度会随着距离衰减。‍‍‍‍‍‍‍‍

现在，如果你能测出每个路灯对你来说有多亮，并且你已经知道它应该有多亮，你就能算出每个路灯距离你多远。

1929年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在其他星系中发现了许多这样的造父变星，并测量了它们的距离。根据测量结果，他发现遥远的星系正离我们远去，距离我们越遥远的星系，远离我们的速度就越快。这让他确定，我们的宇宙正在膨胀！‍

  不同的方法产生不同的结果  

标准烛光是一种强大的测量方法，它使天文学家得以测量浩瀚的宇宙。一直以来，天文学家都在寻找不同的、可以被更好地测量、且能够在更远的距离上看到的烛光。

近年来，一些项目开始测量一些离地球更远的天体，比如由诺奖得主Adam Riess领导的SH0ES项目就利用造父变星和一种名为Ⅰa型超新星的爆炸恒星，用作标准烛光。他们测量出哈勃常数约为73 km/s/Mpc。

而另一种方法是使用宇宙微波背景（CMB）来测量哈勃常数。我们知道，宇宙大爆炸发生于大约138亿年前，自那之后，宇宙便一直在膨胀，变得越来越大，也变得越来越冷。在大爆炸后的约38万年，宇宙已经冷却到足以让原子形成，使光子开始自由地传播，形成了CMB辐射。今天，CMB辐射仍然弥漫于整个宇宙之中，但其波长早已被拉到微波波段。目前，由普朗克卫星通过CMB测得的哈勃常数值是67.4 km/s/Mpc。

这两种测量结果相差约9%，这一巨大的差异被天文学家称为哈勃常数争议。因此，天文学家一直试图能够找到新的测量技术来解决这一争议。

  一种新的方法：引力透镜  

在新的工作中，研究人员使用了一种新的方法——引力透镜效应，来测量宇宙的膨胀速率。‍

2014年，研究人员发现了同一颗名为Refsdal超新星的爆炸恒星的多个图像。这是第一次观测到这种“透镜”超新星。

为了对哈勃常数进行新的计算，天文学家分析了一颗名为雷夫斯达尔的超新星多次出现的光。这颗超新星位于图像中心明亮的星系团的后面。在这张图中，白色箭头指向的4个黄点便是雷夫斯达尔超新星，每个黄点都代表这颗超新星的一个单独成像。（图/NASA, ESA, AND T. TREU (UCLA), P. KELLY (UC BERKELEY) AND THE GLASS TEAM; S. RODNEY (JHU) AND THE FRONTIERSN TEAM; J. LOTZ (STSCI) AND THE FRONTIER FIELDS TEAM; M. POSTMAN (STSCI), AND THE CLASH TEAM; AND Z. LEVAY (STSCI)）

这是怎么发生的？超新星的光向四面八方发射，当它穿过一个被巨大的星系团的引力场所扭曲的空间时，光的路径会发生一些弯曲，最终，它会通过多条路径抵达地球。图像中的每一个Refsdal超新星，都是沿着宇宙中的不同路径抵达地球的。

想象一幅三列火车同时离开同一个车站的场景，其中一列直达下一站，第二列经过山脉进行了一场长途旅行，第三列经过了海岸。他们有着相同的起始站和终点站，但行程却各不相同，所以它们虽然在同一时间离开，却会在不同的时间到达。

与之类似，透镜图像显示的是同一颗超新星，这颗超新星在某个特定的时间点爆炸，但它的光经过了不同的路径，形成了不同的图像。所以，研究人员要记录每一次超新星抵达地球的时间，比如在这颗超新星于2014年出现之后，研究人员预测在2015年将出现另一张它的图像，结果是他们的确在2015年观测到了这张图像。

通过观察超新星每次出现的时间，研究人员就能测量它们旅行所用的时间，进而测得宇宙在图像这段传输过程中，膨胀了多少。

  争议平息了吗？  

新的方法为宇宙的膨胀速率提供了一个独特的测量。利用这种测量方式，研究人员测得的哈勃常数为66.6km/s/Mpc，与使用宇宙微波背景测量的结果更为接近。然而，根据它所在的位置，应该更接近造父变星和超新星的测量值才对。

新的测量结果为争议画上句点了吗？还不能。不过，虽然我们还不能说它平息了这场争议，但它的确提供了一些别的线索，也给天文学家带来了更多要思考的问题。

#创作团队：

编译：不二北斗‍

排版：雯雯

#参考来源：

https://theconversation.com/how-fast-is-the-universe-really-expanding-multiple-views-of-an-exploding-star-raise-new-questions-205242

#图片来源：

封面图 & 首图：NASA