|
撰文 | Natalie Wolchover 翻譯 | 張克文 審校 | 吳非 宇宙中最大的矛盾 1929年，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃首次證實(shí)宇宙是在膨脹的，也因此說明了宇宙有一個(gè)開端。在此之后，科學(xué)家就一直在熱切地爭論宇宙的膨脹速率。宇宙膨脹速度反映了宇宙的組成（物質(zhì)、暗能量和輻射會(huì)以不同的形式影響宇宙的膨脹）和宇宙的年齡，所以哈勃常數(shù)對(duì)于理解宇宙起著十分重要的作用。 然而直至今日，對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量卻難以取得令人滿意的結(jié)果。即使是兩種最精確的測(cè)量方法，得出的結(jié)果也有8%的差值。來自芝加哥大學(xué)科維理研究所（Kavli Institute）的宇宙物理學(xué)家Dan Scolnic說，這是“宇宙學(xué)中現(xiàn)有的最大矛盾”。測(cè)量結(jié)果的不匹配暗示，或許宇宙學(xué)家忽視了某些影響宇宙演化的重要細(xì)節(jié)。但是要確定真實(shí)情況，他們需要對(duì)測(cè)量手段進(jìn)行獨(dú)立檢驗(yàn)。 而LIGO和Virgo探測(cè)器聯(lián)合探測(cè)到的雙中子星合并，也許就是確定哈勃常數(shù)所需的獨(dú)立檢測(cè)。 在芝加哥大學(xué)和LIGO工作，同時(shí)也積極參與到新的哈勃常數(shù)檢驗(yàn)的天體物理學(xué)家 Daniel Holz 在郵件中說到：“這次碰撞讓我們?cè)谟钪鎸W(xué)研究中也能占有一席之地，當(dāng)我們有更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，便可以期待在這個(gè)領(lǐng)域中起到重要作用?！?/span> 三種方式（宇宙微波背景輻射、雙中子星合并、宇宙距離階梯）各自測(cè)出的哈勃常數(shù) 在膨脹的宇宙中，越遠(yuǎn)的天體，退行速度越快。哈勃常數(shù)給出了天體的退行速度。埃德溫·哈勃自己估算得出，一個(gè)星系與我們的距離每增加百萬秒差距（相當(dāng)于330萬光年），其退行速度會(huì)增加500km/s。這是一個(gè)很粗略的估計(jì)；到70年代，天體物理學(xué)家認(rèn)為，每百萬秒差距的退行速度變化大概是在50km/s或100km/s，這取決于他們的計(jì)算方法。當(dāng)誤差被排除在外時(shí)，不同方法求得的數(shù)值大概都取在中間值。然而，在過去的一年半中，哈勃常數(shù)的爭議又被重新提及。這一次，雙方的數(shù)值分別是67 和73。 73.2：距離測(cè)定難題 73這個(gè)更大的估計(jì)來自于對(duì)大量天體的觀察，天文學(xué)家估算了每一個(gè)天體的距離和退行速度。通過觀測(cè)恒星和星系退行產(chǎn)生的紅移（距離越遠(yuǎn)，輻射波長越長，在可見光波段顏色趨于紅色的效應(yīng)），是一個(gè)相對(duì)容易的辦法。對(duì)物體受附近天體引力影響導(dǎo)致的“本動(dòng)速度”進(jìn)行校正后，就只剩下由于宇宙膨脹導(dǎo)致的退行速度。 Daniel Holz，來自芝加哥大學(xué)，同時(shí)也是LIGO項(xiàng)目的成員，建立了通過中子星合并來測(cè)量宇宙膨脹速率的方法。 然而，歷史經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明，計(jì)算哈勃常數(shù)所需的另一重要參數(shù)——天體距離的測(cè)量更為困難。 為了估算天體的距離，天文學(xué)家通過建立“宇宙距離階梯”，用已有的級(jí)來校準(zhǔn)更遠(yuǎn)的。他們從用視差的方法（恒星一年中星軌的視運(yùn)動(dòng)）推測(cè)天體與銀河系的距離。通過這一信息，天文學(xué)家可以推斷造父變星的亮度，這一亮度可以被用來當(dāng)作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光強(qiáng)都是固有亮度。天文學(xué)家首先定位臨近星系的造父變星，然后用它們來計(jì)算星系有多遠(yuǎn)。隨后，通過造父變星校訂比標(biāo)準(zhǔn)燭光更明亮、在更遠(yuǎn)的星系之中也能看見的Ia型超新星。 每一級(jí)的校準(zhǔn)都會(huì)伴隨非常大的計(jì)算誤差。在2016年，一支由太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所和約翰霍普金斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的，名為SH0ES的團(tuán)隊(duì)用宇宙距離階梯的方法，將哈勃常數(shù)以2.4%誤差限定在了73.2。 67.8：從早期宇宙推演 然而，在這一論文發(fā)表的同一年，一支大型團(tuán)隊(duì)通過普朗克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)早期宇宙，計(jì)算得到現(xiàn)在的膨脹率是67.8，誤差范圍在1%。 普朗克團(tuán)隊(duì)是通過來自宇宙早期的微光，也就是宇宙微波背景輻射（CMB）進(jìn)行推算的，CMB揭示了大爆炸38萬年后的這一臨界點(diǎn)，宇宙是什么樣子的。CMB的快照描繪了簡單、幾乎光滑的、由等離子體填滿的早期宇宙。不同波長的壓力波在等離子體中擴(kuò)散、壓縮和伸長，導(dǎo)致了不同尺度下的微小的密度變化。 在由CMB記錄下來的這一刻，特定波長的壓力波恰好波動(dòng)到了幅度為零的平衡位置，短暫地消失了，在它們對(duì)應(yīng)的尺度上制造出了平滑的等離子體密度分布。同時(shí)，其他波長的壓力波會(huì)剛好在這一個(gè)時(shí)刻達(dá)到峰值，最大程度地伸長和壓縮等離子體，在它們對(duì)應(yīng)的特征尺度上制造出最大的密度起伏。 這些在不同的尺度上產(chǎn)生密度變化的峰值，可以由普朗克這樣的衛(wèi)星觀測(cè)到，并被繪制成“CMB功率譜”，記錄下早期宇宙幾乎全部信息。尤其是哈勃常數(shù)，可以通過峰值之間的距離進(jìn)行重建。來自加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家Leo Stein解釋：“這是一種幾何效應(yīng)，宇宙膨脹得越厲害，就有更多來自CMB的光會(huì)隨著膨脹彎曲，在我們看來相鄰峰值會(huì)變得越近。” 宇宙微波背景輻射功率譜 還有一些自然性質(zhì)也會(huì)影響功率譜峰值和尾部的特征，比如充滿宇宙時(shí)空結(jié)構(gòu)卻看不見的“暗能量”。來自普朗克衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家為了能夠估算出67這一哈勃常數(shù)，需要對(duì)其他的宇宙學(xué)參數(shù)作出推斷。 來自芝加哥大學(xué)，宇宙距離尺度方法的開創(chuàng)者Wendy Freedman說：“這兩項(xiàng)哈勃常數(shù)測(cè)量的相似性是‘驚人的’”。即使考慮誤差范圍，他們的測(cè)量結(jié)果也沒有重合。來自約翰·霍普金斯大學(xué)，領(lǐng)導(dǎo)了SH0ES 團(tuán)隊(duì)的Adam Riess 對(duì)去年采訪他的《科學(xué)美國人》記者說道：“相比于我們基于早期宇宙及其演化方式所得的膨脹速率，宇宙現(xiàn)在看起來的膨脹速率要快8%，我們認(rèn)為這個(gè)誤差非常嚴(yán)重?！?/span> 67 與73的差異可能來自于兩種估算方式被忽略的誤差。這一誤差可能是十分真實(shí)而且重要的，比如：普朗克團(tuán)隊(duì)對(duì)宇宙從早期演化至今的探索，可能遺漏了某項(xiàng)宇宙組成成分，而這可能會(huì)改變宇宙的演化軌跡，使宇宙以超出預(yù)計(jì)的速率在加速膨脹。比如，假說中的第四種中微子也存在于早期宇宙中，這會(huì)增加輻射壓力，進(jìn)而影響CMB峰值的寬度；或者是暗能量的負(fù)壓力加速了宇宙膨脹，導(dǎo)致暗能量密度隨著時(shí)間增加。 測(cè)定哈勃常數(shù)的新方法？ 中子星合并事件的突然出現(xiàn)，有可能為這場爭論投出決定性的一票。麻省理工學(xué)院的Holz 和 Scott Hughes在2005年的一篇論文中，闡述到基于Bernard Schutz 20年前的研究，兩顆相撞的恒星可以視為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。它們的碰撞會(huì)產(chǎn)生劇烈的時(shí)空起伏，并且不會(huì)被氣體或塵埃遮擋。因此，引力波攜帶了展現(xiàn)碰撞強(qiáng)度的干凈信號(hào)，這可以使科學(xué)家直接推測(cè)出我們與信號(hào)源的距離，“這里沒有宇宙距離梯度、沒有尚未被充分了解的宇宙學(xué)校準(zhǔn)，你直接聽碰撞產(chǎn)生的聲音和其隨時(shí)間的變化，從而直接得知聲音究竟離我們有多遠(yuǎn)。”Holz 解釋說。因?yàn)樘煳膶W(xué)家還可以檢測(cè)到中子星合并產(chǎn)生的電磁波，他們可以通過紅移算出合并中子星的退行速度。由退行速度除以距離就是哈勃常數(shù)。 僅僅根據(jù)第一次中子星合并事件，Holz和上百位合作者計(jì)算出哈勃常數(shù)在70（±10）km/s每百萬秒差距。（最主要的不確定度來自于中子星合并時(shí)相對(duì)于LIGO探測(cè)器的朝向，這會(huì)影響到測(cè)量到的振幅。）Holz說：“我認(rèn)為大概是純運(yùn)氣，我們恰好算到了此前兩種方法的中間值，我們的計(jì)算值可以輕松地從其中一個(gè)值跳到另一個(gè)?！?/span> 隨著之后幾年中，更多的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)被探測(cè)到，對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量精度也會(huì)穩(wěn)步提升，尤其是LIGO一直在升級(jí)它的敏感度。Holz表示：“大概再有10次類似于這樣的事件，我們就會(huì)將誤差降到1%”，雖然他強(qiáng)調(diào)這只是一個(gè)初步的而且具有爭議的估算。Riess認(rèn)為大概需要30次事件會(huì)達(dá)到那個(gè)誤差范圍。Freedman說：“我相信該手段有可能改變宇宙學(xué)研究的現(xiàn)狀，而改變什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)？天體退行的速率究竟是多少？我們現(xiàn)在還不知道?！?/span> 當(dāng)更多的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)出聲音，它們會(huì)逐漸決定，基于早期宇宙演化得出的膨脹率是否正確。Holz十分興奮地表示：“過去的十年間，我一直致力于這張圖表的繪制：由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測(cè)量得到的哈勃常數(shù)。我將要做成我的哈勃常數(shù)圖，它會(huì)是十分美麗?！?/span> 原文鏈接： https://www./colliding-neutron-stars-could-settle-cosmologys-biggest-controversy-20171025/ |
|
|
