哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的最新測(cè)量結(jié)果表明，宇宙的膨脹速度比科學(xué)家的模型預(yù)測(cè)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(duì)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(cè)的速度要快。

對(duì)于這個(gè)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(chǎng)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(gè)巨大的新數(shù)據(jù)集，他們發(fā)現(xiàn)了百萬(wàn)分之一的概率，即這種差異是一種統(tǒng)計(jì)上的僥幸。換言之，現(xiàn)在看起來(lái)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(guò)天文學(xué)家對(duì)此還沒有確定下來(lái)。

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(lái)了很多驚喜，這是件好事，因?yàn)樗鼛椭覀儗W(xué)習(xí)?！?/p>

據(jù)了解，這個(gè)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(gè)星系離我們?cè)竭h(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(guò)兩種主要方式來(lái)測(cè)量宇宙目前的膨脹速度：通過(guò)測(cè)量跟附近恒星的距離及通過(guò)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(cè)試我們?cè)诔?30億年宇宙歷史中對(duì)宇宙的理解的方法。這項(xiàng)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(dòng)宇宙加速膨脹的動(dòng)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(lái)不大，但如果這一差異是真實(shí)的，那么就意味著宇宙現(xiàn)在的膨脹速度甚至超過(guò)了暗能量所能解釋的速度--這意味著我們?nèi)祟悓?duì)宇宙的核算出現(xiàn)了一些問題。

研究人員在上周提交給《The Astrophysical Journal》的幾項(xiàng)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(lái)測(cè)量我們和附近星系之間的距離。該數(shù)據(jù)集包括對(duì)42種不同的恒星爆炸的觀測(cè)，這比同類的下一個(gè)最大分析高出一倍多。根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的工作，他們的新分析和早期宇宙的測(cè)量結(jié)果之間的張力已經(jīng)達(dá)到了五西格瑪。

不過(guò)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(gè)偽命題。

團(tuán)隊(duì)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(lái)自于測(cè)量或預(yù)測(cè)宇宙目前的膨脹率的嘗試，這被稱為哈勃常數(shù)。通過(guò)利用它，天文學(xué)家可以估計(jì)宇宙自大爆炸以來(lái)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(wàn)年時(shí)形成的微弱光芒。ESA普朗克天文臺(tái)等望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)測(cè)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(guò)利用一個(gè)曾成功預(yù)測(cè)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(cè)今天的哈勃常數(shù)應(yīng)該是什么。這種方法預(yù)測(cè)宇宙應(yīng)該以67.36公里/秒/百萬(wàn)秒差距的速度膨脹。

相比之下，其他團(tuán)隊(duì)通過(guò)觀察“本地”宇宙--離我們比較近的現(xiàn)代恒星和星系來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)。這個(gè)版本的計(jì)算需要兩種數(shù)據(jù)：一個(gè)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(guò)來(lái)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(cè)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(jià)值，因?yàn)閺谋举|(zhì)上講，它們就像已知瓦特?cái)?shù)的頻閃燈。它們會(huì)規(guī)律地變亮和變暗，且越是明亮的造父變星其脈動(dòng)就越慢。通過(guò)利用這一原理，天文學(xué)家可以根據(jù)它們的脈動(dòng)速度來(lái)估計(jì)更遙遠(yuǎn)的造父變星的內(nèi)在亮度并最終計(jì)算出這些星球跟我們之間的距離。

為了將這個(gè)階梯延伸得更遠(yuǎn)，天文學(xué)家們?cè)诒环Q為1a型超新星的恒星爆炸的基礎(chǔ)上增加了一些梯級(jí)。通過(guò)研究同時(shí)擁有造父變星和1a型超新星的星系，天文學(xué)家們可以計(jì)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(cè)量結(jié)果擴(kuò)展到宇宙中更深的星系。

對(duì)變化的核算

問題是，準(zhǔn)確測(cè)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(lái)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(shí)間來(lái)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(gè)名為Pantheon+合作的研究小組詳盡地分析了自1981年以來(lái)收集的1701個(gè)1a型超新星的觀測(cè)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(lái)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(cè)情況--這很難，”杜克大學(xué)的Scolnic說(shuō)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(duì)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(duì)可能影響造父變星觀測(cè)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(duì)哈勃常數(shù)的最精確估計(jì)：每兆焦73.04公里/秒（正負(fù)1.04）。這比普朗克天文臺(tái)對(duì)CMB的測(cè)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(cè)試外部科學(xué)家對(duì)其哈勃常數(shù)估計(jì)值高于普朗克常數(shù)的想法。總之，研究人員對(duì)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(shì)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(gè)'快變’......我們已經(jīng)做了很多深挖兔子洞的工作，”Riess說(shuō)道。

未知的宇宙

不過(guò)近年來(lái)，來(lái)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(jì)方法。相反，她使用一組特定的紅巨星。基于這些備用的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”或具有已知內(nèi)在亮度的天體，F(xiàn)reedman對(duì)哈勃常數(shù)的獨(dú)立估算為69.8公里/秒/百萬(wàn)秒差距--處于其他兩個(gè)測(cè)量值的中間。

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

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

Pantheon+和SH0ES團(tuán)隊(duì)對(duì)Freedman及其他人的結(jié)果進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)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(huì)發(fā)生什么。根據(jù)他們的工作，包括這些額外的恒星會(huì)略微降低對(duì)哈勃常數(shù)的估計(jì)--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(shí)，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(gè)項(xiàng)目。

其中一個(gè)領(lǐng)先的理論競(jìng)爭(zhēng)者--被稱為早期暗能量--提出在大爆炸后約5萬(wàn)年曾有過(guò)一個(gè)短暫的暗能量爆發(fā)。原則上，短暫的額外暗能量可以改變?cè)缙谟钪娴呐蛎洠@足以解決哈勃張力，而不會(huì)對(duì)宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型造成太大的干擾。

但在這個(gè)過(guò)程中，宇宙學(xué)家對(duì)宇宙年齡的估計(jì)將從目前的138億年下降到約130億年。

來(lái)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(gè)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(gè)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(cè)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(guò)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(lái)的觀測(cè)來(lái)弄清這個(gè)謎團(tuán)的真相。

其他觀測(cè)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(lái)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(lái)了越來(lái)越精確的估計(jì)，其中就包括造父變星。而即將到來(lái)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(duì)某些恒星的測(cè)量。

Freedman說(shuō)道：“我們是在可能的邊緣工作的。我們將弄清這個(gè)問題的真相?！?/p>