哈勃常数之争 宇宙膨胀研究引领物理学新方向

资料来源:基思·范德兰德

我认为有些标准的宇宙模型我们还没有弄清楚。

20世纪90年代初，加州卡内基天文台的工作人员庆祝圣诞节。温迪·弗里德曼仍然独自在图书馆研究一个棘手的问题:宇宙的膨胀速度。

然而，弗里德曼的沉默很快被天文学家艾伦·桑德奇打破。桑德奇一直是宇宙缓慢膨胀理论的支持者，但弗里德曼的最新研究驳斥了这一理论。

"他非常生气。"现在在芝加哥大学的弗里德曼回忆道，“我意识到这栋楼里只有我们两个人，所以我后退了一步。他看上去不友好。”

微小误差

在公认的宇宙模型中，宇宙的演化主要取决于暗物质和暗能量之间的竞争。暗物质的重力倾向于减缓宇宙的膨胀，而暗能量则反方向推动并加速宇宙的膨胀。但是基于几个观测站的测量，宇宙学家能够预测年轻的宇宙将如何演化，包括它在历史上任何一点的膨胀速度。多年来，这些预测与对宇宙当前膨胀速率(即哈勃常数)的直接测量不一致。

哈勃常数是以埃德温·哈勃命名的，埃德温·哈勃是卡内基天文台的天文学家，他发现了膨胀的宇宙。通过观察附近星系远离银河系的速度，并利用已知的恒星固有亮度“标准烛光”，科学家可以计算出哈勃常数。

2001年，主持哈勃常数第一次精确测量的弗里德曼报告称哈勃常数值为72 8。弗里德曼认为标准烛光本身在精确测量上是不可靠的，该团队正在研究一种基于不同类型恒星的替代方法。

研究人员还根据宇宙微波背景辐射图进行了计算。许多科学家认为，暗物质和暗能量的相对贡献来自于大爆炸遗留下来的辐射，也就是日冕物质抛射。欧洲航天局的普朗克天文台在最近几年完成了对它的详细描述，这基本上是一幅40万年后年轻宇宙的肖像。

通过预测宇宙中能量和物质的相互牵引，科学家修正了哈勃常数，但结果与之前的结果不一致。这意味着有一个错误。双方都在用自己的方法找出缺陷所在，并竞相公布测量结果。“我们不知道未来会发生什么。”弗里德曼说。

但是如果争论继续下去，它将会分裂现代宇宙学的天空。这也意味着现代理论已经失去了一些可以调整现在和过去的元素。“我认为标准宇宙模型中有些东西我们还没有弄清楚。”美国约翰·霍普金斯大学的天体物理学家亚当·里斯说。上世纪末，里斯发现了暗能量，其早期观察认为暗能量的强度在整个宇宙历史中是恒定的。

去年，里斯的团队用哈勃太空望远镜数百小时的观测时间研究了来自18个星系的两根标准蜡烛。测量常数的不确定度为2.4%，低于之前3.3%的最佳结果，并且发现宇宙的膨胀速率比基于普朗克数据的预测值快约8%。

这一理论引起了轩然大波。如果这是真的，新的哈勃常数显然与普朗克天文台从2013年大爆炸剩余辐射的相关数据推断的67不一致。后者较低，这意味着膨胀速度较慢。

现在，该团队不仅追求精确的哈勃常数，还希望完善它，并发现它是否随时间而变化。如果新测量的哈勃常数和普朗克小组测量的早期结果是准确的，那么标准模型需要一些修改。一种可能性是，构成暗物质的基本粒子具有不同于当前理论的属性，这将影响早期宇宙的演化。另一个选择是暗能量不是不变的，而是在最近变得越来越强。但是里斯仍然没有线索。

找出答案

哈勃常数的发现可以追溯到20世纪20年代。那时，哈勃发现星系似乎正在远离人类，它们离得越远，移动得越快。天文学家一直认为宇宙是静止的，这种观点认为宇宙正在膨胀。后来，哈勃还发现宇宙的膨胀速度是一个常数。

为了找到宇宙的膨胀速率，哈勃需要星系的精确间距，而不仅仅是基于表观亮度的相对值。因此，他提出了“标准烛光”的概念。1929年，哈勃应用造父变星和银河系中最亮的恒星来校准距离，提出银河系在银河之外的视速度与距离成正比，并给出速度-距离比为500。几年后，哈勃等人第二次测量了558，然后修正为526。

到目前为止，许多天文学家已经通过各种方法测量了哈勃常数，但是所获得的值相差很大。1949年，哈勃将接力棒交给了桑德奇。凭借卡内基天文台更高的分辨率和更大的聚光能力，桑德奇在更远的星系中发现了造父变星。到了20世纪80年代，桑德格计算出的数值约为50。后来，法国天文学家热拉尔·德·沃库勒斯提出哈勃常数应该是100。

从与桑德奇的争论中解脱出来的弗里德曼，决定使用一种更强大的新工具:哈勃太空望远镜。这使得弗里德曼的团队发现造父变星的距离是桑德奇的10倍。2001年，弗里德曼研究小组将哈勃常数限制在72±8。这个结论结束了桑德奇和德·沃库勒尔斯之间的争吵。然后，在2003年，科学家用卫星威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)测量了大约72个。

然而，从那时起，天文学家测量的哈勃常数一直在增加，误差率一直在下降。里斯使用哈勃太空望远镜的红外照相机获得最新的哈勃常数73.24。与此同时，普朗克团队绘制了分辨率和温度敏感度更高的中巴图像，计算结果为67.8。

"我认为很难把这解释为统计错误。"约翰·霍普金斯大学的日常物理学家兼WMAP小组组长查克·班尼特说。

新的起点

双方都坚信自己是对的。正如普朗克小组成员、英国剑桥大学宇宙学家乔治·埃夫斯塔塞尤所说，普朗克的数据“绝对正确”。

有些人还说，这些争论可能是一件大事的开始。普林斯顿大学的宇宙学家大卫·斯珀格尔(David Spergel)称这种偏离“非常有趣”，但他说他不认为这标志着新物理学的出现。然而，芝加哥大学的迈克尔·特纳认为，如果差异是真实的，这可能是一个做出伟大发现、新见解和突破的机会。

宇宙学家也希望使用高马望远镜来修正相关的结果。里斯等人认为，现代和原始的结果都需要调整到准确，因为普朗克只是间接测量了哈勃常数，作为标准宇宙模型中的许多参数之一。

"哈勃常数不会含糊不清."普林斯顿大学的天体物理学家莱曼·佩奇说，缩小价值观之间的差异是理论家的责任。

一种解决方案是向标准模型添加额外的元素。宇宙大爆炸后，商业银行为能源预算提供总体预算。爱因斯坦的方程E=mc2表明，能量可以像物质一样，所以它的重力会减缓宇宙的膨胀。然而，随着时间的推移，辐射变冷，能量损失，从而稀释了重力的影响。

另一个涉及中微子。目前，已知有三种中微子。如果有第四种，这意味着早期宇宙的膨胀比预期的要快。

另一个可能的因素是所谓的“幽灵暗能量”。当前的宇宙模型假设暗能量的强度是一个常数。如果暗能量随时间的变化略有增加，这将解释为什么宇宙当前的膨胀正在加速。但是像英国伦敦大学学院普朗克小组天体物理学系的Hiranya Peiris这样的批评家认为不存在可变暗能量。

弗里德曼认为，解决这场争吵的唯一方法是用毒药攻击毒药——使用新的观察数据。她和她的同事计划用其他变量和红巨星代替造父变星进行校准。他们将使用直径只有30厘米的自动望远镜来研究附近的星系，并使用哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜来监测遥远的星系。

(张张编)

中国科学新闻(2017-03-13第三版国际版)

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