宇宙的膨胀速度比之前预测的要快……

Original 张泽涛科学大院 2022-07-13

自从人类诞生以来，人们就对头顶的天穹充满了好奇心。在古代，人们通过肉眼观察天空。西方的上帝创世，东方的盘古开天，这些富含人类智慧的古代神话都反映出了人类对于宇宙根源及其演变的探究热情。随着科学技术的发展，当今科学家们则利用卫星、激光、大型天文望远镜和超级计算机来对宇宙进行观察与研究，层出不穷的新发现，不断刷新着我们对宇宙的理解。

美国国家航空航天局（NASA）官网近日公布了一项来自哈勃太空望远镜的最新研究成果。文章称：哈勃发现宇宙的膨胀速度比之前预测的还要快9%，且这种差异是偶然性的概率从三千分之一降低到了十万分之一。

有人可能会问，人类到底是如何发现宇宙在加速膨胀？最新的研究结果又是如何解释的？想要回答这一系列问题，我们还得从宇宙大爆炸理论说起。

（图片来源：Freepik.com）

宇宙大爆炸理论

20世纪以来，美国科学家伽莫夫（George Gamow）提出的大爆炸理论解释了宇宙的诞生，即宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。而后美国著名天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble）观测到“所有星系都在彼此互相远离”这个现象，并提出了宇宙正在膨胀的假说。最近，天文学家们又有了新发现——宇宙不只在膨胀，还在加速膨胀。

1998年，美国科学家亚当里斯（Adam G Riess）和索尔珀尔马特（Saul Perlmutter）通过哈勃望远镜对超新星爆发光谱进行观测，各自独立地发现了“当前宇宙在加速膨胀”这个现象。该结论一经发表，便引起了物理学界的重大反响。接下来几年里，这一事实分别被其他不同的天文观测实验证实，例如测量宇宙微波背景辐射的美国WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）卫星实验和测量宇宙大尺度结构的美国光谱巡天实验等。

根据WMAP对宇宙微波背景辐射的观测所绘制的图像（图片来源：NASA）

宇宙加速膨胀速率是否可测

在证实了宇宙加速膨胀这一事实之后，人们便开始对宇宙膨胀速率进行测量。欧洲航天局的普朗克卫星，美国航天局的哈勃太空望远镜，这两个集聚人类顶尖科技的观察装置，成为了人们手中测量宇宙膨胀速率的“神兵利器”。

哈勃太空望远镜（图片来源：NASA）

宇宙膨胀速率，又被称为哈勃常数，通常用H表示。计算宇宙膨胀速率需要三个步骤。首先利用“宇宙距离阶梯”来确定宇宙中星系与星系之间的距离。这种方法依赖于精确测量到邻近星系的距离，然后将它们的恒星作为里程标记，再通过这个标记来测量更远距离的星系。最后天文学家利用这些测得的星系之间的距离，以及星系发出光线到达地球所产生的红移，来计算宇宙膨胀速率。亚当里斯和他的团队自2005年以来一直在研究利用哈勃太空望远镜改进这种距离测量方法，提升哈勃常数测量的精确度。

计算哈勃常数的三个步骤（图片来源：HUBBLBSITE）

衡量星系之间距离的“量天神尺”：造父变星

一个多世纪以来，天文学家一直使用造父变星作为宇宙标尺来测量附近的星系之间的距离。这是一种比较神奇的恒星，它的亮度会随时间呈周期性的变化，通过精确测量造父变星亮度随时间变化的周期关系，就可以确定星系之间的距离。但是如果想要测量距离我们非常远的星系的距离，就需要采集一系列造父变星的精确定位，这种行为耗时之多以至于几乎无法实现。因此，亚当里斯团队采用了一种聪明的新方法，称为DASH（漂移和偏移），即利用哈勃望远镜作为照相机来快速拍摄极其明亮的造父恒星的图像，这就消除了对精确定位的耗时需求。

“当哈勃太空望远镜锁定某个造父变星来精确定位时，它只能在每绕地球轨道一圈时观测一次，而它绕地球一圈需要90分钟。因此，哈勃太空望远镜观察每一个造父变星都是非常耗时的。”亚当里斯小组的成员斯特凡诺·凯瑟塔诺解释道：“相反，如果我们寻找彼此之间距离足够近的造父变星群进行观测，我们就可以在它们之间移动，而无需重新校准望远镜指向。同时，如果这些造父变星非常明亮，那我们只需要观察很短的时间。通过控制陀螺仪来稳定哈勃望远镜的指向，我们便能够在一个轨道上观察到十几个造父变星。”

这些测量帮助亚当里斯团队更加精确了造父变星的真实亮度。有了这个更精确的结果，研究小组就可以“拧紧”延伸到太空深处的宇宙距离阶梯的其余部分的“螺栓”，让这把宇宙“标尺”的精度更上一层楼。

哈勃太空望远镜下的大麦哲伦星云（图片来源：HUBBLBSITE）

在随后的十几年里，亚当里斯团队利用哈勃望远镜在大麦哲伦星云中观测了70颗造父变星。通过将大麦哲伦星云中的造父变星和在超新星系中的类似恒星作对比，他们重新修正了宇宙距离阶梯。从而将哈勃常数的不确定度从先前的2.2%降低到了1.9%。

宇宙加速膨胀的程度超出预期

2009年，美国航空航天局NASA公布哈勃常数的最新估计值是每秒每百万秒差距74千米（46英里）。这意味着，由于宇宙的膨胀，星系和我们地球之间的距离每增加300万光年，星系远离地球的速度增加74千米每秒。这个数字表明，宇宙的膨胀速度比预测的67千米（41.6英里）每秒每百万秒差距的速度快9%。

随着测量结果精确度的不断提高，亚当里斯团队发现，利用哈勃太空望远镜所的数据计算得到的哈勃常数，仍与普朗克卫星通过观测宇宙早期微波背景辐射得出的预期值不一致。普朗克卫星通过对宇宙进行全景“扫描”，发现了宇宙只有38万岁时的微波背景辐射，展示了在宇宙早期，密度略微不同导致的温度的细微起伏，天文学家据此对哈勃常数做出了预测。团队经过检查之后发现，虽然哈勃太空望远镜和普朗克卫星的测量结果不一致，但这两项“神兵利器”的测量结果本身都没有任何问题。

“这不仅仅是两个结果不同的实验，”亚当里斯对此解释说：“我们正在测量一些根本不同的东西。哈勃太空望远镜实验是测量今天宇宙膨胀的速率，而普朗克卫星实验是基于早期宇宙理论和测量早期宇宙应该以多快速度膨胀的预测。这两个值之间的不一致不是巧合，所以我们很有可能遗漏了连接两个时代的宇宙学模型中的某些东西。”

宇宙背景探测卫星（COBE）, 威尔金森微波各向异性探测器卫星(WMAP)和普朗克卫星取得的宇宙微波背景辐射分辨率比较（图片来源：NASA）

让宇宙这个“面团”加速膨胀的“酵母”是什么

作一个形象的比喻：宇宙每分每秒都在变大，星系之间的距离正在拉长，就像面团一样在烤箱里不断膨胀。根据爱因斯坦的广义相对论，宇宙这个包含了重子、暗物质、光子、中微子等物质的面团只会减速膨胀。但是随后，人们经过测量发现面团好像多放了酵母一样，膨胀的速率比预想的要快。

那么宇宙中这个神秘的“酵母”到底是什么呢？

一个观点是由约翰霍普金斯大学的天文学家提出的“早期暗能量”理论。该理论认为，在年轻的宇宙中出现了一种意想不到的暗能量，到现在为止，这种暗能量已经占据了宇宙70%的容量。这个理论如果是事实，表明宇宙的演化就像一个最简单的按部就班的戏剧。

天文学家们假设暗能量存在于大爆炸后的第一秒，大爆炸将所有物质推送到整个空间，然后开始初始膨胀。在大爆炸之后不久，暗能量也紧接着进行了好几次的爆发，从而导致当今宇宙的加速膨胀。亚当里斯表示，这种“早期暗能量”的存在可以解释哈勃太空望远镜和普朗克卫星测量出的两个哈勃常数之间的差异。

约翰霍普金斯大学的天文学家提出的另一种观点是，这种“酵母”可能是宇宙中含有一种新的亚原子粒子，来源于核反应和放射性衰变，其速度接近光速。这种快速粒子统称为“暗辐射”，包括先前已知的中微子等粒子。这种新粒子的存在，导致哈勃太空望远镜和普朗克卫星测量出的两个哈勃常数之间产生了差异。

此外，宇宙加速膨胀还有一个比较大的可能原因是暗物质（一种不由质子、中子和电子组成的不可见物质）与正常物质或辐射的相互作用比先前假设的更强烈。

以上都还是未经证实的猜想，宇宙加速膨胀的真正原因仍然是个谜。这个令人烦恼的问题也令亚当里斯束手无策，但是他的团队将继续使用哈勃太空望远镜进行实验测量，进一步提高哈勃常数的精确度。如果哈勃常数的不确定度能够降低到1%，将更有助于天文学家发现这个神秘“酵母”的真身。

被暗物质包围的地球（想象图）（图片来源：NASA）

参考文献: