圖片來(lái)源：Keith Vanderlinde

上世紀(jì)90年代初，美國(guó)加州卡內(nèi)基天文臺(tái)的工作人員都在歡慶圣誕節(jié)。Wendy Freedman仍獨(dú)自一人在圖書館鉆研一個(gè)棘手問題：宇宙的膨脹速度。

不過(guò)，F(xiàn)reedman的安靜很快便被天文學(xué)家Allan Sandage的闖入打破了。Sandage一直是宇宙緩慢膨脹論的支持者，而Freedman的最新研究卻駁斥了這一理論。

“他非常生氣?！爆F(xiàn)就職于芝加哥大學(xué)的Freedman回憶道，“我意識(shí)到這座建筑里就只有我們倆個(gè)人，于是后退了一步，他看上去并不友好?！?br>

在公認(rèn)的宇宙論模型中，宇宙的進(jìn)化主要依賴于暗物質(zhì)與暗能量之間的競(jìng)爭(zhēng)作用。暗物質(zhì)的引力傾向于減緩宇宙膨脹，而暗能量則在相反的方向推動(dòng)并使宇宙加速膨脹。但基于若干天文臺(tái)的測(cè)量，宇宙學(xué)家得以預(yù)測(cè)年輕宇宙將如何進(jìn)化，包括在歷史的任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)上膨脹得有多快。多年來(lái)，這些預(yù)測(cè)同針對(duì)當(dāng)前宇宙膨脹速度的直接測(cè)量結(jié)果（被稱為哈勃常數(shù)）并不一致。

哈勃常數(shù)得名于發(fā)現(xiàn)了宇宙在不斷膨脹的卡內(nèi)基天文臺(tái)天文學(xué)家Edwin Hubble。而通過(guò)觀測(cè)附近星系以多快的速度遠(yuǎn)離銀河系，利用被稱為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的已知恒星固有亮度，科學(xué)家便能計(jì)算出哈勃常數(shù)。

2001年，主持對(duì)哈勃常數(shù)第一次精密測(cè)量的Freedman報(bào)告的哈勃常數(shù)值為72±8。Freedman認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)燭光自身在精密測(cè)量時(shí)就是不可靠的，該團(tuán)隊(duì)正在研究基于一種不同類型恒星的替代方法。

研究者還基于宇宙微波背景輻射（CMB）圖進(jìn)行了測(cè)算。許多科學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)和暗能量的相對(duì)貢獻(xiàn)來(lái)自于宇宙大爆炸后遺留的輻射，即CMB。歐洲空間局普朗克天文臺(tái)于近幾年完成了對(duì)其的詳細(xì)描繪，從本質(zhì)上看是年輕宇宙在約40萬(wàn)年時(shí)的一幅肖像。

通過(guò)預(yù)測(cè)宇宙中能量和物質(zhì)的相互牽引，科學(xué)家矯正了哈勃常數(shù)，但結(jié)果與之前的并不匹配。這意味著有一個(gè)錯(cuò)了。兩方均在用自己的方法尋找缺陷在何處，并爭(zhēng)相發(fā)表測(cè)量結(jié)果?！拔覀儾恢牢磥?lái)會(huì)怎樣?！盕reedman說(shuō)。

但如果爭(zhēng)論持續(xù)下去，將割裂現(xiàn)代宇宙學(xué)的天空。它還意味著現(xiàn)代理論丟失了一些能調(diào)節(jié)現(xiàn)在和過(guò)去的要素?！拔艺J(rèn)為在標(biāo)準(zhǔn)宇宙論模型中有一些是我們尚未搞清的?！泵绹?guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)天體物理學(xué)家Adam Riess說(shuō)。上世紀(jì)末，Riess發(fā)現(xiàn)了暗能量，而且，其早期觀測(cè)認(rèn)為，暗能量的強(qiáng)度在宇宙的整個(gè)歷史中都是恒定的。

去年，Riess的團(tuán)隊(duì)利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)百小時(shí)的觀測(cè)時(shí)間研究了來(lái)自18個(gè)星系的兩種標(biāo)準(zhǔn)燭光。由此測(cè)量的常數(shù)的不確定性為2.4%，低于之前3.3%的最好結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹速度大約比基于普朗克數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值快了8%。

這一理論引起了軒然大波，如果屬實(shí)，那么新哈勃常數(shù)顯然和2013年普朗克天文臺(tái)從大爆炸殘留輻射的相關(guān)數(shù)據(jù)中推斷出的67不符。后者更低，代表膨脹速度更慢。

現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)不僅追求精確哈勃常數(shù)，而且還希望對(duì)其進(jìn)行完善，并弄清其是否隨時(shí)間而變化。如果新測(cè)量的哈勃常數(shù)和由普朗克團(tuán)隊(duì)早期測(cè)量的結(jié)果都是準(zhǔn)確的，那么標(biāo)準(zhǔn)模型就需要進(jìn)行一些修改。一種可能性是構(gòu)成暗物質(zhì)的基本粒子具有不同于當(dāng)前理論的屬性，這將影響早期宇宙的進(jìn)化。另一種選擇是暗能量并非亙古不變的，而是在最近時(shí)期變得越來(lái)越強(qiáng)。但Riess至今仍沒有什么線索。

哈勃常數(shù)的發(fā)現(xiàn)可以追溯到上世紀(jì)20年代。當(dāng)時(shí)，Hubble發(fā)現(xiàn)，星系看起來(lái)都在離人們遠(yuǎn)去，且距離越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離的速度越快。一直以來(lái)，天文學(xué)家都認(rèn)為宇宙是靜止的，而這一觀點(diǎn)認(rèn)為宇宙是在膨脹的。之后，Hubble還發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的速率是一個(gè)常數(shù)。

為了找出宇宙膨脹率，Hubble需要星系的準(zhǔn)確間距，而不只是基于視亮度的相對(duì)數(shù)值。于是，他提出了“標(biāo)準(zhǔn)燭光”概念。1929年，Hubble應(yīng)用造父變星和星系中的最亮星標(biāo)定距離，提出銀河外星系的視向速度與距離成比例，并給出速度—距離比值為500。數(shù)年后，Hubble等人第二次測(cè)定值為558，隨后又訂正為526。

直到現(xiàn)在，許多天文學(xué)家用多種方法測(cè)定了哈勃常數(shù)，但所得的數(shù)值存在較大差距。1949年，Hubble 將接力棒交到了Sandage手中。借助卡內(nèi)基天文臺(tái)的更高分辨率和更大聚光能力，Sandage找出了更遠(yuǎn)星系中的造父變星。到上世紀(jì)80年代，Sandage推算出的數(shù)值約為50。后來(lái)，法國(guó)天文學(xué)家Gérard de Vaucouleurs提出哈勃常數(shù)應(yīng)為100。

而當(dāng)時(shí)從與Sandage的爭(zhēng)論中脫身的Freedman決定利用更強(qiáng)大的新工具：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。這使得Freedman團(tuán)隊(duì)能找到比Sandage遠(yuǎn)10倍的造父變星。2001年，F(xiàn)reedman研究組將哈勃常數(shù)限制在72±8。這一結(jié)論終結(jié)了Sandage和De Vaucouleurs的爭(zhēng)吵。緊接著，2003年，科學(xué)家使用人造衛(wèi)星威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）測(cè)得的數(shù)值約為72。

不過(guò)，從那時(shí)起，天文學(xué)家測(cè)得的哈勃常數(shù)不斷增大，而誤差率則在不斷縮小。Riess則使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的紅外照相機(jī)得出最新的哈勃常數(shù)為73.24。同時(shí)，普朗克團(tuán)隊(duì)繪制了更高分辨率和溫度敏感度的CMB圖像，測(cè)算出結(jié)果為67.8。

“我想，這已經(jīng)很難被解釋為統(tǒng)計(jì)學(xué)誤差了?！盬MAP團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、約翰斯·霍普金斯大學(xué)天天物理學(xué)家Chuck Bennett說(shuō)。

每一方都堅(jiān)信自己是正確的。正如普朗克團(tuán)隊(duì)成員、英國(guó)劍橋大學(xué)宇宙學(xué)家George Efstathiou表示，普朗克的數(shù)據(jù)“絕對(duì)正確”。

也有人表示這些爭(zhēng)論可能是某個(gè)大事件的開端。普林斯頓大學(xué)宇宙學(xué)家David Spergel稱這個(gè)偏差“非常有趣”，但表示不相信這標(biāo)志著出現(xiàn)了新的物理學(xué)。不過(guò)，芝加哥大學(xué)的Michael S. Turner則認(rèn)為，如果這個(gè)差異是真實(shí)存在的，則可能會(huì)是一個(gè)取得大發(fā)現(xiàn)、新見解和突破的機(jī)會(huì)。

宇宙學(xué)家還希望使用塔卡馬望遠(yuǎn)鏡對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行修正。Riess等人認(rèn)為，現(xiàn)代和原始的結(jié)果都需要進(jìn)行調(diào)整，才能做到準(zhǔn)確，因?yàn)槠绽士酥皇情g接地把哈勃常數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型多個(gè)參數(shù)中的一個(gè)進(jìn)行了測(cè)量。

“哈勃常數(shù)將不會(huì)繼續(xù)模棱兩可。”普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)家Lyman Page說(shuō)，理論學(xué)家有責(zé)任縮小各數(shù)值間的差異。

一個(gè)方案是向標(biāo)準(zhǔn)模型中增加額外的要素。CMB提供了對(duì)宇宙大爆炸后能量收支的總體預(yù)算。愛因斯坦等式E=mc2顯示，能量能像物質(zhì)一樣，因此其重力會(huì)放慢宇宙的膨脹速度。但隨著時(shí)間的逝去，輻射變冷且能量喪失，因此稀釋了重力影響。

另一個(gè)則涉及中微子。目前已知有3種中微子，如果存在第4種，則意味著早期宇宙膨脹速度比預(yù)想得要快。

還有一個(gè)可能的因素是所謂的“幽靈暗能量”。當(dāng)前的宇宙模型假設(shè)暗能量強(qiáng)度是一個(gè)常數(shù)。如果暗能量隨時(shí)間的變化略微加強(qiáng)，將能解釋為何當(dāng)前宇宙膨脹速度加快。但普朗克團(tuán)隊(duì)的英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院天體物理系Hiranya Peiris等批評(píng)者認(rèn)為，可變的暗能量并不存在。

而Freedman認(rèn)為解決爭(zhēng)吵的唯一方法是以毒攻毒——利用新的觀測(cè)數(shù)據(jù)。她和同事計(jì)劃不利用造父變星進(jìn)行校準(zhǔn)，轉(zhuǎn)而使用其他的變星和紅巨星。他們將使用口徑僅30厘米的自動(dòng)望遠(yuǎn)鏡研究附近星系，并借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡監(jiān)控遙遠(yuǎn)星系。

（張章編譯）
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2017-03-13 第3版 國(guó)際)

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