宇宙膨脹到底有多快？最新測量結果讓科學家更困惑了

　　一項被寄予厚望的新技術未能解決有關宇宙膨脹速度的爭議——至少目前如此。

　　最近幾年來，關于宇宙膨脹速度的兩種最準確的測量值存在相當大的分歧。宇宙學家寄希望于一種獨立方法來解決這個問題，結果這種方法讓他們更迷茫了。

　　老年紅巨星是測量目前宇宙膨脹速度的一種新方法的焦點。

　　最新測量結果出自芝加哥大學天文學家Wendy Freedman領導的團隊，已于7月16日對外公布，即將發表在《天體物理學報》(Astrophysical Journal)上[1]。

　　Freedman團隊展示了一種利用紅巨星來測量宇宙膨脹速度的技術。這種技術有望取代天文學家已經使用了一個多世紀的方法。但是，目前它所測量出的宇宙膨脹速度無法解決上述分歧，因為它落在了兩個本就互不一致的值中間。

　　“宇宙是在和我們開玩笑嘛?”一名天體物理學家對此發了這樣一條推特。

　　“我們現在正在試圖搞清楚這些到底該怎么整合起來。”Freedman對《自然》雜志說。如果無法解決宇宙膨脹速度的測量分歧，那可能意味著宇宙學家用來解讀數據的某些基礎理論是錯的，例如對暗物質性質的假設。“基礎物理學上方高懸著達摩克利斯之劍。”Freedman說。

　　宇宙的測速儀

　　美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)等人于20世紀20年發現了宇宙正在膨脹。他們的依據是大多數星系都在遠離銀河系——越遠的星系遠離速度越快。速度和距離的大致比率被稱為哈勃常數。哈勃發現，距離每多一百萬秒差距(大約326萬光年)，星系遠離的速度就會增加500千米/秒，所以在“每百萬秒差距每秒千米”這個單位下，哈勃常數就是500。

　　在接下來的幾十年里，測量方法逐漸改進，天文學家大幅下調了哈勃常數的估計值。Freedman于90年代率先使用哈勃太空望遠鏡測量了哈勃常數，得到了72這一數字，誤差是正負10%。至今為止最精確的測量值為74，誤差僅有正負1.91%，是由約翰·霍普金斯大學的諾貝爾獎得主Adam Riess帶領的團隊測出的[2]。

　　但是過去十年里的另一項獨立研究使事情變得更加錯綜復雜。歐洲空間局“普朗克”計劃的科學家們繪制出了大爆炸的遺留輻射圖，即宇宙微波背景(CMB)，并用它來計算宇宙的基本性質。依據關于宇宙的標準理論假設，他們計算出的哈勃常數為67.8。

　　67.8和74之間的差距看似不大，但是由于兩種方法均有所改進，已經產生了統計顯著性差異。因此，理論學家開始懷疑是不是宇宙的標準理論有問題。這個叫做ΛCDM的理論假設存在隱形的“暗物質”粒子，以及神秘的斥力“暗能量”。但他們也沒能找到辦法來修正理論，使之能在和關于宇宙的其他一切觀察保持一致的前提下解決這個問題。

　　“從ΛCDM里找線索很困難。沒有什么調一調就能解決一切問題的竅門。”芝加哥大學的宇宙學家Rocky Kolb說。

　　Freedman的最新測量法更新了哈勃測量法中的一個關鍵要素，最終得到了69.8這個值。

　　測量哈勃常數最大的難點在于可靠地測量星系之間的距離。哈勃最初的估算法基于對較近星系的距離的測量。為此，他觀察了一類被稱為“造父變星”的明亮恒星。天文學家Henrietta Swan Leavitt于二十世紀初發現，這些恒星實際的亮度是可以預測的。因此，通過測量它們在照相版上顯示出的亮度，就可以計算出恒星有多遠。天文學家把這種標志性星體稱為“標準燭光”。

　　自此之后，天文學家一直在嘗試尋找比造父變星更好的標準燭光，因為造父變星多存在于擁擠、多塵的區域，導致對其亮度的估算產生誤差。“唯一的解決方案是發展一種獨立的測量法。至今為止我們從未檢驗過造父變星測量法的精確度。”Freedman說。她職業生涯中的大多數時間都用來改進該方法的精確度了。“她知道每一個天體藏在什么地方。”Kolb說。

　　Freedman和她的同事們完全繞過了造父變星，而選擇了紅巨星——已經熄滅的老年恒星——作為標準燭光，同時選擇超新星爆發作為更遠的星系的指示牌。

　　巨星計算

　　紅巨星比造父變星要常見得多，很容易在星系的邊緣找到。在這些區域，恒星之間較為分散，也沒有宇宙塵的問題。紅巨星的亮度變化較大，但是當我們考慮整個星系的全部紅巨星時，就有了一個很好用的特征。

　　紅巨星的亮度在數百萬年的時間里逐漸增加，達到最亮的那一刻后就會迅速變暗。如果天文學家把一大群星體的顏色和亮度畫到圖上，紅巨星會顯示成一片點云，并且有著明確的邊界。邊界上的星體就可以作為標準燭光。

　　Freedman團隊使用這個方法計算了18個星系和我們之間的距離，對哈勃常數的估算首次達到了可以和造父變星法相媲美的精確度。

　　Riess說紅巨星法仍然需要對星系中宇宙塵的含量進行一定假設，特別是大麥哲倫星云——這次研究中的一個基準點。他說“宇宙塵很難估算。我認為肯定會有很多人討論”作者的研究方法為什么會推出一個較低的哈勃常數值。

　　Freedman團隊的研究結果和“普朗克”的數據以及Riess的造父變星計算結果在統計上是相容的，也就是說誤差范圍有所重疊，而隨著紅巨星數據逐漸積累增加，這個方法的準確度也會相應提高。很快就可能會超過造父變星法，Kolb說。

　　紅巨星法的測量值可能會向另兩種測量方法的結果之一偏移，或者可能會保持不變，而另兩種測量方法的結果向它靠近。但是就目前而言，宇宙學家還有很多謎題要解答。
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