哈勃數據顯示宇宙膨脹速度比預期快9%_風聞

原創：牧夫天文

翻譯： 陸寅楓

校譯：陳豔玲 田程偲 汪榮鑫 華子乾 

編排：陶邦惠

原文鏈接：

http://www.astronomy.com/news/2019/04/hubble-hints-todays-universe-expands-faster-than-it-did-in-the-past

現在的宇宙膨脹速度比早期宇宙快9%，為此天文學家不得不重新考慮我們對宇宙的一些基本認識。

自從1998年以來，天文學家們一直面臨着一個令人不解的問題：根據對早期宇宙（大爆炸發生後緊接着的那段時期）的研究，宇宙應該以一個恆定的速度膨脹着，但是當天文學家真正測量了現在宇宙後，卻發現膨脹速度是增加的。

自從一個世紀以前，科學家們就已經知道宇宙在膨脹了。埃德温·哈勃等天文學家最先注意到他們測量的遙遠的星系似乎在朝着遠離地球的方向運動，並且距離越遠，移動地越快。

哈勃望遠鏡測量了我們距大麥哲倫星系中的一些變星（框中顯示）的距離。Credit: NASA, ESA, Riess (STScl/JHU), and Palomar Digitised Sky Surve

近幾年來，天文學家們利用哈勃空間望遠鏡測量了當今宇宙的膨脹速度。他們驚訝地發現， 測量結果竟比歐洲空間局的普朗克衞星測量的早期宇宙膨脹速度快了9%左右。當時，天文學家估測這結果的不一致性有三千分之一的幾率是誤差導致的意外。但是，在最近的一項研究中，科學家更嚴謹地分析了哈勃的觀測數據，結果讓他們更相信當今的宇宙的確正在以比過去更快的速度膨脹着，並且他們將由誤差導致不一致性的幾率降低到了十萬分之一。很明顯，某些地方一定出現了問題，天文學家現在需要弄明白這是怎麼一回事。

建立宇宙距離階梯

(Cosmic Distance Ladder)

宇宙距離階梯通過結合造父變星和超新星的方法來精確測量宇宙中的各種距離。Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScl)

眾所周知，哈勃常數描述了星系退行速度與星系距離間的關係。測量一個星系或是一顆恆星的退行速度的方法其實非常直接，宇宙中任何一個正在遠離地球的天體所發出的光都會發生宇宙學紅移。紅移量越大，則天體退行的速度也就越快。不過，測量一個星系或是一顆恆星的距離就要複雜得多了。

使用哈勃望遠鏡測量宇宙膨脹速度的科學家們遵循着一個由該領域的先驅們使用的方法：他們通過觀測造父變星——變光光度與脈動週期有着非常強的直接關聯性的恆星——來測量距離。造父變星的這種周光關係最早由哈佛大學的天文學家亨利埃塔·斯萬·勒維特(Henrietta Swan Leavitt)於一百多年前發現。

因為越遠的恆星看上去越暗，天文學家可以先通過光變週期推算出恆星的光度，再利用測量到的視亮度來計算它的距離。埃德温·哈勃便是利用這個方法第一次計算了哈勃常數。而在今天，諾貝爾獎得主亞當·里斯(Adam Riess)等天文學家正在利用哈勃望遠鏡做着一模一樣的計算，只是大幅地提高了精度。亞當·里斯便是上文提到的那項近期研究的首席研究員。他領導着一個名叫SH0ES（Supernovae H0 for the Equation of State,計算超新星狀態方程的哈勃常數）的團隊，致力於以史無前例的精度測量哈勃常數。

造父變星只是宇宙距離階梯的第一級台階。通過精確測量造父變星的距離我們能知道他們所在的那些星系（我們銀河系的鄰近星系）距我們的距離。而測量這些星系中Ia型超新星的亮度我們便能得知那些同樣有着Ia型超新星但更遠的星系的距離。就這樣一步步地，我們能創建測量宇宙中各種尺度的方法。不過值得注意的是，在第一步測量中出現的任何誤差都將傳遞到之後的步驟中。

宇宙距離階梯(Cosmic Distance Ladder)

Credit: HubbleESA(YouTube)

重新測量

里斯和他的SH0ES團隊結合哈勃望遠鏡的觀測數據和地基望遠鏡的數據[1]，將大麥哲倫星系中的造父變星的距離測量誤差從2.5%降低至1.3%。他們發現以前通過銀河系附近的天體測量的哈勃常數非常準確，這令里斯的團隊非常吃驚，因為這證明了與普朗克衞星的測量結果間的不一致性是確確實實存在的。

普朗克衞星專門測量早期宇宙中的各種基本常數，繪製宇宙微波背景輻射分佈圖，並且計算暗能量，暗物質，和普通物質間的比率。Credits: ESA/NASA/JPL-Caltech

里斯團隊的測量結果並不孤立，許多有關當今宇宙的測量都為其提供了很好的支持。但是同樣地，普朗克衞星的測量結果也與其他許多有關大爆炸後幾十萬年內的早期宇宙的測量相一致。雙方似乎都沒有讓步的可能。

“這不僅僅是兩項實驗間的不一致”，里斯在一個媒體發佈會上説，“**我們測量的東西可以説是從根本上不同的。**我的團隊測量的是當今宇宙膨脹的速度，這是一個觀測結果。而普朗克衞星則是通過對早期宇宙的測量計算出膨脹速度的理論值。如果理論值與觀測值不一樣，那非常可能是我們連接早期宇宙與當今宇宙的模型出了問題。”

調解差異

如何使這兩個測量結果相吻合的方法目前還不得而知。我們甚至不知道它們到底該不該吻合。確實，**根據現在的結果來看，早期宇宙的膨脹行為非常有可能與現在並不相同。**如果這是真的的話，什麼因素會導致膨脹行為的改變呢？

暗能量，儘管我們對它的瞭解現在還不是很深，通常被認為是導致宇宙膨脹的原因，從大爆炸到今天一直如此。儘管暗能量是標準宇宙模型中的一部分，它的作用效果可能並不如我們所認為的那樣，很有可能在大爆炸後的某個時期它加速了宇宙的膨脹。里斯認為，中微子這種以接近光速運動但幾乎不與普通物質反應的粒子或許是關鍵所在。他稱中微子這樣的粒子為**“暗輻射”**。

無論怎樣，里斯認為我們很有可能得接受這兩個膨脹速度並不一樣的事實。而天文學家現在必須努力找到一個更好的宇宙模型，一個可以解釋這個不一致性的模型。

宇宙學紅移與多普勒效應的區別

儘管宇宙學紅移和多普勒效應十分類似，但是二者之間有本質區別。多普勒效應是物體和觀測者之間的相對運動導致的，而宇宙學紅移則是由於宇宙膨脹導致的，並非真實的運動。也正因如此，天文上的多普勒效應是各向異性，而宇宙學紅移則是各向同性的。

『天文時刻』 牧夫出品

微信號：astronomycn

N11：大麥哲倫星系內的星雲

NASA, ESA; Acknowledgement: Josh Lake