宇宙膨胀到底有多快？最新测量结果让科学家更困惑了

Daphane

来源：Nature自然科研


一项被寄予厚望的新技术未能解决有关宇宙膨胀速度的争议——至少目前如此。　　最近几年来，关于宇宙膨胀速度的两种最准确的测量值存在相当大的分歧。宇宙学家寄希望于一种独立方法来解决这个问题，结果这种方法让他们更迷茫了。

老年红巨星是测量目前宇宙膨胀速度的一种新方法的焦点。

　　最新测量结果出自芝加哥大学天文学家Wendy Freedman领导的团队，已于7月16日对外公布，即将发表在《天体物理学报》（Astrophysical Journal）上[1]。
　　Freedman团队展示了一种利用红巨星来测量宇宙膨胀速度的技术。这种技术有望取代天文学家已经使用了一个多世纪的方法。但是，目前它所测量出的宇宙膨胀速度无法解决上述分歧，因为它落在了两个本就互不一致的值中间。
　　“宇宙是在和我们开玩笑嘛？”一名天体物理学家对此发了这样一条推特。
　　“我们现在正在试图搞清楚这些到底该怎么整合起来。”Freedman对《自然》杂志说。如果无法解决宇宙膨胀速度的测量分歧，那可能意味着宇宙学家用来解读数据的某些基础理论是错的，例如对暗物质性质的假设。“基础物理学上方高悬着达摩克利斯之剑。”Freedman说。
　　宇宙的测速仪
　　美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）等人于20世纪20年发现了宇宙正在膨胀。他们的依据是大多数星系都在远离银河系——越远的星系远离速度越快。速度和距离的大致比率被称为哈勃常数。哈勃发现，距离每多一百万秒差距（大约326万光年），星系远离的速度就会增加500千米/秒，所以在“每百万秒差距每秒千米”这个单位下，哈勃常数就是500。
　　在接下来的几十年里，测量方法逐渐改进，天文学家大幅下调了哈勃常数的估计值。Freedman于90年代率先使用哈勃太空望远镜测量了哈勃常数，得到了72这一数字，误差是正负10%。至今为止最精确的测量值为74，误差仅有正负1.91%，是由约翰·霍普金斯大学的诺贝尔奖得主Adam Riess带领的团队测出的[2]。
　　但是过去十年里的另一项独立研究使事情变得更加错综复杂。欧洲空间局“普朗克”计划的科学家们绘制出了大爆炸的遗留辐射图，即宇宙微波背景（CMB），并用它来计算宇宙的基本性质。依据关于宇宙的标准理论假设，他们计算出的哈勃常数为67.8。
　　67.8和74之间的差距看似不大，但是由于两种方法均有所改进，已经产生了统计显著性差异。因此，理论学家开始怀疑是不是宇宙的标准理论有问题。这个叫做ΛCDM的理论假设存在隐形的“暗物质”粒子，以及神秘的斥力“暗能量”。但他们也没能找到办法来修正理论，使之能在和关于宇宙的其他一切观察保持一致的前提下解决这个问题。
　　“从ΛCDM里找线索很困难。没有什么调一调就能解决一切问题的窍门。”芝加哥大学的宇宙学家Rocky Kolb说。
　　Freedman的最新测量法更新了哈勃测量法中的一个关键要素，最终得到了69.8这个值。
　　测量哈勃常数最大的难点在于可靠地测量星系之间的距离。哈勃最初的估算法基于对较近星系的距离的测量。为此，他观察了一类被称为“造父变星”的明亮恒星。天文学家Henrietta Swan Leavitt于二十世纪初发现，这些恒星实际的亮度是可以预测的。因此，通过测量它们在照相版上显示出的亮度，就可以计算出恒星有多远。天文学家把这种标志性星体称为“标准烛光”。
　　自此之后，天文学家一直在尝试寻找比造父变星更好的标准烛光，因为造父变星多存在于拥挤、多尘的区域，导致对其亮度的估算产生误差。“唯一的解决方案是发展一种独立的测量法。至今为止我们从未检验过造父变星测量法的精确度。”Freedman说。她职业生涯中的大多数时间都用来改进该方法的精确度了。“她知道每一个天体藏在什么地方。”Kolb说。
　　Freedman和她的同事们完全绕过了造父变星，而选择了红巨星——已经熄灭的老年恒星——作为标准烛光，同时选择超新星爆发作为更远的星系的指示牌。
　　巨星计算
　　红巨星比造父变星要常见得多，很容易在星系的边缘找到。在这些区域，恒星之间较为分散，也没有宇宙尘的问题。红巨星的亮度变化较大，但是当我们考虑整个星系的全部红巨星时，就有了一个很好用的特征。
　　红巨星的亮度在数百万年的时间里逐渐增加，达到最亮的那一刻后就会迅速变暗。如果天文学家把一大群星体的颜色和亮度画到图上，红巨星会显示成一片点云，并且有着明确的边界。边界上的星体就可以作为标准烛光。
　　Freedman团队使用这个方法计算了18个星系和我们之间的距离，对哈勃常数的估算首次达到了可以和造父变星法相媲美的精确度。
　　Riess说红巨星法仍然需要对星系中宇宙尘的含量进行一定假设，特别是大麦哲伦星云——这次研究中的一个基准点。他说“宇宙尘很难估算。我认为肯定会有很多人讨论”作者的研究方法为什么会推出一个较低的哈勃常数值。
　　Freedman团队的研究结果和“普朗克”的数据以及Riess的造父变星计算结果在统计上是相容的，也就是说误差范围有所重叠，而随着红巨星数据逐渐积累增加，这个方法的准确度也会相应提高。很快就可能会超过造父变星法，Kolb说。
　　红巨星法的测量值可能会向另两种测量方法的结果之一偏移，或者可能会保持不变，而另两种测量方法的结果向它靠近。但是就目前而言，宇宙学家还有很多谜题要解答。