宇宙膨胀速度比之前预测快9%

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美国国家航空航天局官方网站最近公布了哈勃太空望远镜的最新研究结果。文章说:哈勃发现宇宙的膨胀速度比先前预测的快9%，这种偶然差异的概率从3000分之一下降到100000分之一。

有人可能会问，人类究竟是如何发现宇宙正在加速膨胀的？最新的研究结果如何解释？为了回答这一系列的问题，我们必须从大爆炸理论开始。

资料来源:Freepik.com

大爆炸理论

自20世纪以来，美国科学家乔治·盖莫夫提出的大爆炸理论解释了宇宙的诞生，即宇宙是由137亿年前的大爆炸后密集而炽热的奇点膨胀而成。然后，美国著名天文学家爱德温·鲍威尔·哈勃观察到“所有星系都远离彼此”的现象，并提出宇宙正在膨胀的假设。最近，天文学家又有了新发现——宇宙不仅在膨胀，而且在加速。

1998年，美国科学家亚当·G·里斯和索尔·珀尔马特通过哈勃望远镜观察了超新星爆炸光谱，并独立发现了“当前宇宙正在加速膨胀”的现象。这个结论一经发表，就在物理学领域引起了巨大的反响。在接下来的几年里，这一事实被其他不同的天文观测实验所证实，如美国测量宇宙微波背景辐射的WMAP(威尔金森微波各向异性探测器)卫星实验和美国测量宇宙大尺度结构的光谱天空测量实验。

从宇宙微波背景辐射的WMAP观测中提取的图像(来源:美国航天局)

宇宙加速度可以测量吗？

在确认宇宙正在加速这一事实后，人们开始测量宇宙的膨胀速度。欧洲航天局的普朗克卫星和美国航天局的哈勃太空望远镜，这两个收集人类尖端技术的观测设备，已经成为人们手中测量宇宙膨胀速度的“法宝”。

哈勃太空望远镜(图片来源:美国宇航局)

宇宙的膨胀速率，也称为哈勃常数，通常用h来表示。计算宇宙的膨胀速率需要三个步骤。首先，“宇宙距离阶梯”用于确定宇宙中星系之间的距离。这种方法依赖于对邻近星系距离的精确测量，然后用它们的恒星作为里程标记，然后用这个标记来测量更远的星系。最后，天文学家利用这些测量的星系之间的距离和星系到达地球的光引起的红移来计算宇宙膨胀的速率。自2005年以来，亚当·里斯和他的团队一直在研究使用哈勃太空望远镜来改进这种距离测量方法，并提高哈勃常数测量的准确度。

计算哈勃常数的三个步骤(图片来源:哈勃网站)

测量星系间距离的“上帝统治者”:造父变星

一个多世纪以来，天文学家一直使用造父变星作为宇宙尺度来测量附近星系之间的距离。这是一种神奇的星星，它的亮度会随着时间周期性地变化。星系之间的距离可以通过精确测量造父变星的亮度和时间之间的周期性关系来确定。然而，如果你想测量离我们很远的星系的距离，你需要获得造父变星的一系列精确位置，这需要很长时间，几乎不可能实现。因此，亚当·里斯的团队采用了一种聪明的新方法，称为“漂移和偏移”(DASH)，它利用哈勃望远镜作为照相机，快速拍摄枣富极亮恒星的图像，从而消除了对精确定位的耗时要求。

“当哈勃太空望远镜锁定造父变星进行精确定位时，它每次绕地球运行只能观察一次，而绕地球运行需要90分钟。因此，哈勃太空望远镜观察每一颗造父变星是非常耗时的。”亚当·里斯团队的成员斯特凡诺·凯瑟塔诺解释道:“相反，如果我们寻找造父变星群彼此足够接近来观察，我们可以在它们之间移动，而不用重新校准望远镜指向。同时，如果这些造父变星非常明亮，那么我们只需要观察它们一小段时间。通过控制陀螺仪来稳定哈勃望远镜的指向，我们可以在一个轨道上观察到十几个造父变星。”

这些测量帮助亚当·里斯的团队更准确地确定造父变星的真实亮度。有了这个更精确的结果，研究小组可以“拧紧”延伸到宇宙深处距离阶梯其余部分的“螺栓”，让这个宇宙“尺子”的精度可以通过爬一段楼梯来实现。

哈勃太空望远镜下的大麦哲伦云(图像来源:哈勃太空望远镜)

在接下来的十年左右，亚当·里斯的团队用哈勃望远镜观察了大麦哲伦星云中的70个造父变星。通过比较大麦哲伦星云中的造父变星和超新星系列中的类似恒星，他们修正了宇宙距离阶梯。因此，哈勃常数的不确定度从2.2%降低到1.9%。

宇宙膨胀的速度比预期的要快。

2009年，美国国家航空航天局公布了哈勃常数的最新估计值，为每秒74公里(46英里)。这意味着，由于宇宙的膨胀，星系和地球之间的距离每增加300万光年，星系离开地球的速度就会以每秒74公里的速度增加。这个数字显示宇宙的膨胀速度比预测的每秒67公里(41.6英里)快9%。

随着测量结果准确度的不断提高，亚当·里斯的团队发现，利用哈勃太空望远镜的数据计算出的哈勃常数仍然与普朗克卫星通过观测早期宇宙微波背景辐射获得的预期值不一致。普朗克卫星通过对宇宙的全景“扫描”，发现了宇宙只有38岁时的微波背景辐射，显示了早期宇宙中密度稍有不同导致的温度轻微波动，天文学家据此预测了哈勃常数。经过检查，该小组发现，虽然哈勃太空望远镜和普朗克卫星的测量结果不一致，但这两种“神奇武器”的测量结果本身没有任何问题。

“这不仅仅是两个结果不同的实验，”亚当·里斯解释道。“我们正在测量一些根本不同的东西。哈勃太空望远镜实验测量了当今宇宙的膨胀速率，而普朗克卫星实验是基于早期宇宙理论和对早期宇宙膨胀速度的预测。这两个值之间的差异不是巧合，所以我们可能错过了连接这两个时代的宇宙学模型中的某些东西。”

由COBE、WMAP和普朗克卫星获得的宇宙微波背景辐射的分辨率比较(图像来源:美国航天局)

什么是加速宇宙“面团”膨胀的“酵母”？

让我们做一个图像类比:宇宙每分钟都在变大，星系之间的距离在变长，像烤箱里的面团一样膨胀。根据爱因斯坦的广义相对论，由重子、暗物质、光子、中微子和其他物质组成的宇宙只会减速膨胀。但是，经过测量，人们发现面团似乎含有更多的酵母，而且膨胀的速度比预期的要快。

宇宙中这种神秘的“酵母”是什么？一种观点是约翰·霍普金斯大学天文学家提出的“早期暗能量”理论。根据这一理论，在年轻的宇宙中出现了一种意想不到的暗能量，到目前为止，这种暗能量占据了宇宙容量的70%。如果这个理论是真的，它表明宇宙的进化就像最简单的一步一步的戏剧。

天文学家假设暗能量存在于大爆炸后的第一秒钟，它将所有物质推入整个空间，然后开始膨胀。大爆炸后不久，暗能量也爆发了几次，导致了今天宇宙的加速膨胀。亚当·里斯说，这种“早期暗能量”的存在可以解释哈勃太空望远镜和普朗克卫星测量的两个哈勃常数之间的差异。

约翰·霍普金斯大学的天文学家提出的另一种观点是，这种“酵母”可能是宇宙中一种新的亚原子粒子，它起源于核反应和放射性衰变，速度接近光速。这些快速粒子统称为“暗辐射”，包括以前已知的粒子，如中微子。这种新粒子的存在导致了哈勃太空望远镜和普朗克卫星测量的两个哈勃常数之间的差异。

此外，宇宙加速膨胀的另一个可能原因是暗物质(一种由质子、中子和电子组成的不可见物质)和正常物质或辐射之间的相互作用比以前假设的更强。

所有以上都是未经证实的推测。宇宙加速膨胀的真正原因仍然是个谜。亚当·里斯也对这个棘手的问题感到困惑，但他的团队将继续使用哈勃太空望远镜进行实验测量，以进一步提高哈勃常数的准确性。如果哈勃常数的不确定性可以降低到1%，那么天文学家发现这种神秘“酵母”的真面目将会更有帮助。

地球被暗物质包围(图片)，图片来源:美国宇航局

参考:

1.http://hubblesite.org/news_release/news/2019-25

2.https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/story/index.html