引力透鏡來“攪局”哈勃常數有了第三個數值

今人不見古時月，今月曾經照古人。從古到今，人們頭頂的星空正在“悄無聲息”地發生着變化。星空為何日夜遠去？宇宙為何不斷膨脹？還有比這更大的謎題嗎？

近日，凱克天文台發佈報告稱，美國加州大學戴維斯分校的研究數據表明：宇宙的膨脹速度比預期更快。

其實宇宙膨脹速度一直沒有定論，此前各方觀點就有分歧。此次新的研究更是加劇了這一矛盾。

同一個東西，不同的結果

1929年，埃德温·哈勃等天文學家發現，星系距我們越遠，它就越快地離開我們，這被認為是關於宇宙膨脹理論的第一個觀察證據，並引出了後來的“大爆炸”概念，膨脹率的值即著名的哈勃常數。哈勃常數的單位是千米/秒·百萬秒差距，即如果哈勃常數為1，就表明在每300萬光年的距離上，星系遠離地球的速度為每秒1千米。

“一直以來，哈勃常數都是宇宙學的關鍵參數。”中科院國家天文台研究員陳學雷告訴科技日報記者，“歷史上，多次出現因不同方法而導致的不同測量結果。”

陳學雷説，一種主要方法是測量離銀河系較近的星系或超新星與我們之間的距離變化，得到一組參數，來推測宇宙膨脹速度；另一種方法是測量宇宙微波背景輻射，得出一個常數。這兩種方法的結果並不一致。而此次新的研究方法得出的結果與前兩者都不一致，且顯然超出正常誤差範圍。

陳學雷説，新方法的數值比以往數值更大，過去兩種方法得出的哈勃常數，大多集中在67或72左右。新方法則算出哈勃常數約為74。

在國際天文學界看來，新舊數值之間構成了難以化解的矛盾。

舊理論新用，測多個像延遲

理解這些測量方法並不難，核心就是：通過亮度變化測準距離。測繪員常在馬路上或田野裏換不同位置看同一標杆，利用視差，算出標杆到觀測點的距離；天文學家乾的活兒差不多，只不過看的是天體。亮度與距離的平方成反比，因此我們可以通過天體在不同觀測點上的亮度差別來推算距離。

亮度法從一出現就十分成功，當然測量越遠的星系，就需要越亮的“標杆”。如今，科學家通過先測量銀河系內的恆星，再測量一種很亮的天體“造父變星”，最後測量一種更亮的天體“Ia型超新星”，由近及遠確定各目標的亮度變化曲線，以此算出它們的距離變化。

宇宙微波背景輻射法，是用精確的普朗克衞星，觀測宇宙誕生後38萬年的初始光線，來確定人類所能看到的最遠目標“宇宙天際線”的距離變化。

此次新的方法，陳學雷解釋説，核心是觀察一個引力透鏡系統——目標天體藏在一個大質量天體背後，由於光線被引力偏移，我們會看到多個像。因為傳播距離不同，傳播時間不等，觀察者同時看到不同步的像，但其實都來源於目標天體。我們長時間記錄它們時強時弱的亮度，確定不同觀測的延遲數據，進而算出其準確距離。

陳學雷告訴科技日報記者，這種方法二三十年前就提出了，但當時還不夠成熟，需要大望遠鏡頻繁關注引力透鏡系統所在的一小片天區，過一段時間“看”一下。因為取樣頻次足夠高，才能“畫”出一條光線變化軌跡，算清延遲。

結論無對錯，有待新驚喜

陳學雷認為，各種方法都在發展，也各有優缺點。順便一提，比起埃德温·哈勃當年估計數值500以上，如今這些哈勃常數測算結果差異其實不大。我們的測量技巧比起百年前已經先進太多。新的引力透鏡法的優點在於它是一種幾何方法，不需要將目標的亮度測算得很精細。要知道，天體亮度受很多未知因素影響，測算數據容易出現誤差。

陳學雷説，哈勃常數是人們討論最多的一個熱點。大家各顯神通，試圖去“解答”這個難題，而結論不一致的情況已持續幾十年了。當然，這些方法都是嚴謹並被反覆驗證的，並非方法有缺陷而是有一些基本問題沒有解答。

陳學雷説，現在也有人猜想，或許宇宙常數模型本身不太準確。但無論新舊觀測方法，都假定宇宙是加速膨脹的，也同樣引入了加速度的模型。該模型只是最簡單的一種，與觀測結果較為貼合，所以大家常用。

或許，會有一條理論新路，比如通過知之甚少的粒子或暗物質、暗能量，可以更好地解釋測算結果的不一致。

或許，我們還會有更新穎的測量方法，比如利用近幾年很火的引力波，從引力波波形推斷目標與我們的距離。雖然現在引力波測量精度達不到要求，但未來説不定會有驚喜。

膨脹速度不僅透露了宇宙的年齡，還可能告訴我們宇宙的歸宿。測量宇宙膨脹，就好像量我們的房屋。如果不知道房子的空間多大、什麼形狀，住户也會一直心存猜想。