哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的最新測量結(jié)果表明，宇宙的膨脹速度比科學(xué)家的模型預(yù)測的要快--這暗示著一些未知的成分可能在宇宙中起作用。這是現(xiàn)代天文學(xué)中最大的難題之一。根據(jù)對恒星和星系的多種觀察，宇宙似乎比我們最好的宇宙模型預(yù)測的速度要快。

對于這個難題的證據(jù)已經(jīng)積累了多年，這使得一些研究人員稱其是在宇宙學(xué)中一場迫在眉睫的危機(jī)。

現(xiàn)在，一組使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的研究人員已經(jīng)匯編了一個巨大的新數(shù)據(jù)集，他們發(fā)現(xiàn)了百萬分之一的概率，即這種差異是一種統(tǒng)計上的僥幸。換言之，現(xiàn)在看起來更有可能的是，宇宙中有一些基本的成分或是已知成分的一些意想不到的效果，不過天文學(xué)家對此還沒有確定下來。

約翰-霍普金斯大學(xué)的天文學(xué)家Adam Riess指出：“宇宙似乎給我們帶來了很多驚喜，這是件好事，因為它幫助我們學(xué)習(xí)?！?/p>

據(jù)了解，這個天文領(lǐng)域的難題被稱為哈勃張力，以天文學(xué)家Edwin Hubble命名。1929年，他觀察到一個星系離我們越遠(yuǎn)其后退速度就變得越快--這一觀察有助于為我們目前關(guān)于宇宙從大爆炸開始并不斷膨脹的概念鋪平道路。

研究人員試圖通過兩種主要方式來測量宇宙目前的膨脹速度：通過測量跟附近恒星的距離及通過繪制可追溯到新生宇宙的微弱光輝。這些雙重方法提供了一種測試我們在超130億年宇宙歷史中對宇宙的理解的方法。這項研究還發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)鍵的宇宙成分，如“暗能量”，這種神秘的力量被認(rèn)為是推動宇宙加速膨脹的動力。

但這兩種方法在宇宙目前的膨脹率上有約8%的分歧。這一差異可能聽起來不大，但如果這一差異是真實的，那么就意味著宇宙現(xiàn)在的膨脹速度甚至超過了暗能量所能解釋的速度--這意味著我們?nèi)祟悓τ钪娴暮怂愠霈F(xiàn)了一些問題。

研究人員在上周提交給《The Astrophysical Journal》的幾項研究中描述了他們的發(fā)現(xiàn)，他們使用特定類型的恒星和恒星爆炸來測量我們和附近星系之間的距離。該數(shù)據(jù)集包括對42種不同的恒星爆炸的觀測，這比同類的下一個最大分析高出一倍多。根據(jù)該團(tuán)隊的工作，他們的新分析和早期宇宙的測量結(jié)果之間的張力已經(jīng)達(dá)到了五西格瑪。

不過其他天文學(xué)家仍看到數(shù)據(jù)中可能存在的誤差空間，這意味著哈勃張力仍有可能只是一個偽命題。

團(tuán)隊成員、杜克大學(xué)的天文學(xué)家Dan Scolnic表示：“我不知道這么大的誤差是如何隱藏在這一點(diǎn)上的，如果是這樣的話，這只是沒有人提出的東西。我們已經(jīng)檢查了所有向我們提出的想法，沒有任何東西能做到這一點(diǎn)?！?/p>

宇宙微波和距離階梯

哈勃張力來自于測量或預(yù)測宇宙目前的膨脹率的嘗試，這被稱為哈勃常數(shù)。通過利用它，天文學(xué)家可以估計宇宙自大爆炸以來的年齡。

獲得哈勃常數(shù)的一種方法是依靠宇宙微波背景(CMB)，這是宇宙剛誕生38萬年時形成的微弱光芒。ESA普朗克天文臺等望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)測量了CMB并提供了早期宇宙中物質(zhì)和能量如何分布的詳細(xì)快照及支配它們的物理學(xué)。

通過利用一個曾成功預(yù)測宇宙許多特性的模型--蘭姆達(dá)冷暗物質(zhì)模型，宇宙學(xué)家可以從數(shù)學(xué)上將CMB中看到的新生宇宙快進(jìn)并預(yù)測今天的哈勃常數(shù)應(yīng)該是什么。這種方法預(yù)測宇宙應(yīng)該以67.36公里/秒/百萬秒差距的速度膨脹。

相比之下，其他團(tuán)隊通過觀察“本地”宇宙--離我們比較近的現(xiàn)代恒星和星系來測量哈勃常數(shù)。這個版本的計算需要兩種數(shù)據(jù)：一個星系從我們身邊退去的速度以及該星系跟我們之間的距離。這反過來又要求天文學(xué)家開發(fā)出所謂的宇宙距離階梯。

新研究的宇宙距離階梯是由Riess的研究小組SH0ES組建的，其從測量我們和某些被稱為造父變星的恒星之間的距離開始。造父變星很有價值，因為從本質(zhì)上講，它們就像已知瓦特數(shù)的頻閃燈。它們會規(guī)律地變亮和變暗，且越是明亮的造父變星其脈動就越慢。通過利用這一原理，天文學(xué)家可以根據(jù)它們的脈動速度來估計更遙遠(yuǎn)的造父變星的內(nèi)在亮度并最終計算出這些星球跟我們之間的距離。

為了將這個階梯延伸得更遠(yuǎn)，天文學(xué)家們在被稱為1a型超新星的恒星爆炸的基礎(chǔ)上增加了一些梯級。通過研究同時擁有造父變星和1a型超新星的星系，天文學(xué)家們可以計算出超新星的亮度和它們的距離之間的關(guān)系。由于1a型超新星比造父變星要亮得多，它們可以在更遠(yuǎn)的地方被看到并讓天文學(xué)家把他們的測量結(jié)果擴(kuò)展到宇宙中更深的星系。

對變化的核算

問題是，準(zhǔn)確測量所有這些恒星和超新星是非常復(fù)雜的。從技術(shù)上講，并非所有的造父變星和1a型超新星看起來都完全一樣：有些可能有不同的成分、不同的顏色或不同類型的宿主星系。天文學(xué)家們已經(jīng)花了很多年的時間來研究如何解釋所有這些變異性--但要肯定地知道一些隱藏的誤差源沒有在天平上推波助瀾是非常困難的。

為了解決這些問題，一個名為Pantheon+合作的研究小組詳盡地分析了自1981年以來收集的1701個1a型超新星的觀測數(shù)據(jù)。該分析包括努力量化所有已知的不確定性和偏差的來源。

“我們關(guān)心的是，比如1991年11月的天氣和望遠(yuǎn)鏡的觀測情況--這很難，”杜克大學(xué)的Scolnic說道。他跟哈佛-史密森天體物理學(xué)中心的研究員Dillon Brout共同領(lǐng)導(dǎo)Pantheon+。

該團(tuán)隊的發(fā)現(xiàn)為Riess和他的SH0ES同事的新分析提供了依據(jù)。在對可能影響造父變星觀測的因素進(jìn)行了同樣詳盡的交叉檢查之后，該小組得出了迄今為止對哈勃常數(shù)的最精確估計：每兆焦73.04公里/秒（正負(fù)1.04）。這比普朗克天文臺對CMB的測量所推斷出的數(shù)值高了約8%。

另外，研究小組還不遺余力地測試外部科學(xué)家對其哈勃常數(shù)估計值高于普朗克常數(shù)的想法?？傊?，研究人員對他們的分析進(jìn)行了67次變體分析--其中許多變體使緊張局勢變得更糟。

“我認(rèn)為，我們已經(jīng)認(rèn)真聽取了許多關(guān)切和問題。這不僅僅是一個'快變’......我們已經(jīng)做了很多深挖兔子洞的工作，”Riess說道。

未知的宇宙

不過近年來，來自芝加哥大學(xué)的Wendy Freedman一直在研究一種不依賴脈沖式恒星的估計方法。相反，她使用一組特定的紅巨星?；谶@些備用的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”或具有已知內(nèi)在亮度的天體，F(xiàn)reedman對哈勃常數(shù)的獨(dú)立估算為69.8公里/秒/百萬秒差距--處于其他兩個測量值的中間。

盡管團(tuán)隊進(jìn)行了仔細(xì)的工作，但Freedman指出，未被發(fā)現(xiàn)的錯誤仍可能會影響到分析，也許會造成一種虛幻的緊張。她補(bǔ)充稱，一些不確定性的來源也是不可避免的。首先，只有三個離銀河系足夠近的星系，其距離我們可以直接測量而宇宙距離階梯的基礎(chǔ)就在這三個星系上。

Freedman說道：“三個雖然是個小數(shù)字，但這是大自然賦予給我們的?！?/p>

Pantheon+和SH0ES團(tuán)隊對Freedman及其他人的結(jié)果進(jìn)行了長時間的研究，他們的一些不同的分析研究了如果將Freedman的首選恒星跟造父變星和1a型超新星一起加入到宇宙距離階梯中會發(fā)生什么。根據(jù)他們的工作，包括這些額外的恒星會略微降低對哈勃常數(shù)的估計--但它并沒有消除這種緊張。

如果哈勃常數(shù)真的反映了我們的物理現(xiàn)實，那么解釋它可能需要在我們的宇宙基本成分列表中增加另一個項目。

其中一個領(lǐng)先的理論競爭者--被稱為早期暗能量--提出在大爆炸后約5萬年曾有過一個短暫的暗能量爆發(fā)。原則上，短暫的額外暗能量可以改變早期宇宙的膨脹，這足以解決哈勃張力，而不會對宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型造成太大的干擾。

但在這個過程中，宇宙學(xué)家對宇宙年齡的估計將從目前的138億年下降到約130億年。

來自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的天體物理學(xué)家Mike Boylan-Kolchin指出：“有很多問題，為什么你必須引入這個剛剛出現(xiàn)又消失的新事物--這感覺有點(diǎn)好笑。但我們正處在一個地方--如果這些東西真的那么不一致也許我們必須開始在宇宙的有趣角落里尋找?！?/p>

盡管一些暗示已經(jīng)出現(xiàn)了，但目前還沒有關(guān)于早期暗能量的大滿貫證據(jù)。今年9月，智利測量宇宙微波背景的設(shè)施--阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡稱包括早期暗能量的模型比標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型更適合其數(shù)據(jù)。不過普朗克望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)提出了不同的意見，因此需要未來的觀測來弄清這個謎團(tuán)的真相。

其他觀測站也應(yīng)該能幫助澄清哈勃張力。如ESA的蓋亞衛(wèi)星自2014年以來一直在繪制銀河系的地圖，其為我們跟銀河系許多恒星之間的距離帶來了越來越精確的估計，其中就包括造父變星。而即將到來的詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將幫助天文學(xué)家反復(fù)檢查哈勃對某些恒星的測量。

Freedman說道：“我們是在可能的邊緣工作的。我們將弄清這個問題的真相。”