三種方法測(cè)出三個(gè)哈勃常數(shù)，到底哪個(gè)準(zhǔn)？

　　自上世紀(jì) 20 年代以來，美國天文學(xué)家哈德溫·哈勃的觀測(cè)讓科學(xué)家知道，宇宙在不斷膨脹。那么，宇宙的膨脹速度有多快——也即所謂的哈勃常數(shù)有多大呢?

　　哈勃常數(shù)是宇宙參數(shù)，在各種各樣的宇宙學(xué)計(jì)算中都扮演非常重要的角色，它決定了宇宙的絕對(duì)規(guī)模、大小和年齡，是我們量化宇宙演化最直接的工具之一。此外，它也與暗物質(zhì)、暗能量的屬性有關(guān)，而后兩者，是我們目前仍未揭示的宇宙幾大謎團(tuán)中的兩個(gè)。

　　100 多年來，科學(xué)家分別借助對(duì) Ia 型超新星和宇宙微波背景(CMB)的觀測(cè)，測(cè)出了兩個(gè)哈勃常數(shù)的值，但這兩個(gè)值并不一樣，這讓科學(xué)家們很迷惑。現(xiàn)在，通過對(duì)紅巨星的研究，科學(xué)家又得出了一個(gè)新的哈勃常數(shù)值，新值介于上述兩者之間，令整個(gè)事件更加撲朔迷離。

　　兩個(gè)哈勃常數(shù)不一致

　　20 世紀(jì) 20 年代，哈勃(哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就是以他的名字命名)等人發(fā)現(xiàn)，宇宙正在膨脹——因?yàn)榇蠖鄶?shù)星系離銀河系越來越遠(yuǎn)，且距離銀河系越遠(yuǎn)的星系，后退的速度也越快。星系遠(yuǎn)離銀河系的速度和星系與銀河系的距離之間的比率大致恒定，這一比率被稱為哈勃常數(shù)。

　　經(jīng)過研究計(jì)算，哈勃發(fā)現(xiàn)，一個(gè)星系與地球的距離每增加百萬秒差距(Mpc，約 326 萬光年)，該星系遠(yuǎn)離地球的速度就增加 500 公里/秒，所以那時(shí)，哈勃測(cè)出的哈勃常數(shù)值為 500 公里/秒/百萬秒差距(km/s/Mpc)。

　　幾十年來，隨著測(cè)量技術(shù)的不斷改進(jìn)，天文學(xué)家大幅下調(diào)了哈勃常數(shù)的估算值。20 世紀(jì) 90 年代，弗里德曼率先使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡來測(cè)量哈勃常數(shù)，計(jì)算出的值約為 72 公 km/s/Mpc，誤差范圍不到 10%。此后，由約翰霍普金斯大學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者亞當(dāng)·里斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)測(cè)得了迄今最精確的值——74km/s/Mpc，誤差率僅為 1.91%。

　　測(cè)量哈勃常數(shù)的難點(diǎn)在于可靠地測(cè)量星系的距離。在上述測(cè)量方法中，研究人員主要是借助對(duì)造父變星和 Ia 型超新星的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)算，得出了星系的距離，從而計(jì)算出了哈勃常數(shù)的數(shù)值。

　　造父變星是一類特殊的恒星，其亮度變化周期與自身光度直接相關(guān)，因而可用于測(cè)量星系等的距離。而 Ia 型超新星則是一類爆發(fā)的恒星，其亮度基本恒定，所以二者在天文學(xué)上均被當(dāng)作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，用于計(jì)算遙遠(yuǎn)星系的距離。在里斯的研究中，他們對(duì)約 2400 顆造父變星和約 300 顆 Ia 型超新星的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了測(cè)算。

　　除了上述方法，參與歐洲航天局普朗克任務(wù)的科學(xué)家也借助對(duì)宇宙微波背景的觀測(cè)，計(jì)算出了新的哈勃常數(shù)值：67.8km/s/Mpc。

　　里斯測(cè)得的 74km/s/Mpc 比由普朗克衛(wèi)星測(cè)得的 67.8km/s/Mpc 高出9%。哈勃常數(shù)的倒數(shù)與宇宙的年齡直接相關(guān)——哈勃常數(shù)數(shù)值越大，宇宙的年齡就越小。如果我們接受哈勃常數(shù)為里斯所測(cè)得的值，其比之前測(cè)得的要高出9%，那么由它推測(cè)出的將是一個(gè)年輕約 10 億年的宇宙。

　　或與暗能量有關(guān)

　　據(jù)英國《科學(xué)新聞》雜志網(wǎng)站 7 月 17 日?qǐng)?bào)道，對(duì)此差異，里斯提出了一些可能的解釋。一種可能是，促使宇宙加速膨脹的暗能量可能會(huì)以更大的力或者越來越大的力把星系推離，這意味著宇宙膨脹的加速度本身在宇宙中沒有恒定值，而是隨著時(shí)間變化。里斯憑 1998 年發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹與他人共享諾貝爾獎(jiǎng)。

　　另一種可能性是，宇宙中存在一種新的亞原子粒子，其速度接近光速。這種快速粒子被統(tǒng)稱為“暗輻射”，包括一種名為“惰性中微子”的粒子。與受亞原子力相互作用影響的正常中微子不同，這種新粒子只受重力影響。

　　還有一種更有吸引力的解釋認(rèn)為，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的作用比現(xiàn)在我們認(rèn)為的更強(qiáng)烈。其中任何一種情況都會(huì)改變現(xiàn)有的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。該模型描述了一個(gè)包含宇宙學(xué)常數(shù)Λ和暗能量、冷暗物質(zhì)(CDM)的宇宙，是目前最簡單的模型，可以很好地解釋微波背景輻射的存在及其結(jié)構(gòu)、大尺度結(jié)構(gòu)中星系的分布、元素豐度、宇宙加速膨脹等觀測(cè)結(jié)果。

　　目前，科學(xué)家正在尋找解決辦法，希望對(duì)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行修改，使其能解釋哈勃常數(shù)兩個(gè)值不兼容的問題。

　　紅巨星被選作新的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”

　　問題還未解決時(shí)，科學(xué)家的另一條測(cè)量路徑，讓整個(gè)事件更加撲朔迷離。

　　芝加哥大學(xué)天文學(xué)家溫迪·弗里德曼領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)更新了哈勃測(cè)量方法中的一個(gè)關(guān)鍵要素——使用紅巨星而非造父變星作為宇宙“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，得到了 69.8km/s/Mpc 的值。

　　科學(xué)家一直試圖找到比造父變星更好的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，因?yàn)樵旄缸冃峭嬖谟趽頂D且充滿灰塵的區(qū)域，這可能會(huì)使對(duì)其亮度的估計(jì)發(fā)生扭曲。為此，弗里德曼和同事避開了造父變星，使用紅巨星作為測(cè)量更遙遠(yuǎn)星系的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

　　紅巨星比造父變星更常見，在星系周邊區(qū)域很容易發(fā)現(xiàn)，在這些區(qū)域，恒星彼此隔離，灰塵不是問題。紅巨星的亮度變化很大，但作為一個(gè)整體，一個(gè)星系內(nèi)的紅巨星群擁有一個(gè)獨(dú)特而明顯的特征：這些恒星的亮度會(huì)在數(shù)百萬年間增加，直到達(dá)到最大值，然后突然下降。當(dāng)天文學(xué)家根據(jù)顏色和亮度繪制一大群恒星時(shí)，紅巨星看起來像一團(tuán)擁有明顯邊緣的圓點(diǎn)，身處邊緣的恒星可以作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

　　弗里德曼團(tuán)隊(duì)使用該技術(shù)計(jì)算了 18 個(gè)星系到地球的距離，并獲得了最新的哈勃常數(shù)估計(jì)值。

　　芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家洛基·科爾布說，隨著有關(guān)紅巨星的數(shù)據(jù)不斷積累，技術(shù)的精確度將提高，紅巨星可能在不久的將來擊敗造父變星，成為廣受歡迎的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

　　盡管如此，里斯說，這項(xiàng)紅巨星研究仍然跟星系中的塵埃數(shù)量，尤其是大麥哲倫星云中的塵埃數(shù)量有關(guān)。他說：“塵埃很難估計(jì)，這可能也是造成這兩個(gè)哈勃常數(shù)值偏低的原因。”

　　弗里德曼在接受《自然》雜志采訪時(shí)說：“現(xiàn)在，我們正試圖解釋這一切。如果宇宙膨脹速度之間的差異沒有解決，那么，可能意味著天文學(xué)家用來解釋其數(shù)據(jù)的一些基本理論——如關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)的假設(shè)可能是錯(cuò)誤的。”
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