美國伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的天文學(xué)家Wendy Freedman領(lǐng)導(dǎo)的團隊以一種獨立的觀測手段測量了哈勃常數(shù)的數(shù)值，這個最新的分析結(jié)果已于2019年7月16日對外公布，并且即將發(fā)表在《天體物理學(xué)報》（Astrophysical Journal）上[1]。

Freedman的團隊展示了一種利用紅巨星來測量宇宙膨脹的技術(shù)。這種技術(shù)有望取代天文學(xué)家們已經(jīng)使用了一個多世紀(jì)的方法。但是，目前它所測量出的宇宙膨脹速率落在了兩個爭議值的中間，無法解決之前兩種測量手段獲得的不同結(jié)果所引起的爭端。

“宇宙在這事兒上是在消遣我們嗎？”一名天體物理學(xué)家就此文章發(fā)了這樣一條推特。

Freedman接受《自然》雜志采訪時說：“我們現(xiàn)在正在試圖搞清楚這些到底該怎么整合起來。”如果無法解決宇宙膨脹速率的測量分歧，那么宇宙學(xué)家們用以解讀數(shù)據(jù)的某些基礎(chǔ)理論——諸如對暗物質(zhì)本質(zhì)的假設(shè)等——或許是錯誤的?！盎疚锢砣詰叶礇Q?！盕reedman說。

1.宇宙的測速儀

20世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）等人發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹。他們的依據(jù)是大多數(shù)星系都在遠離銀河系運動——越遠的星系退行速度越快。速率和距離的比率大致不變，被稱為哈勃常數(shù)，通常記為H0。哈勃那時發(fā)現(xiàn)，距離每多一兆秒差距（Mpc，大約3.26兆光年），星系的退行速率就會增加500千米/秒，所以用“千米每秒每兆秒差距（km/s/ Mpc）”這個單位時，哈勃常數(shù)就是500。

過去幾十年來，測量方法逐漸改進，天文學(xué)家大幅下調(diào)了哈勃常數(shù)的估計值。Freedman于上世紀(jì)90年代率先使用哈勃空間望遠鏡（以擬合方式）測量了哈勃常數(shù)，計算得到了大約72這一數(shù)字，誤差幅度是正負10%。最近，美國馬里蘭州的約翰·霍普金斯大學(xué)的物理諾貝爾獎得主Adam Riess帶領(lǐng)的團隊測定了至今為止最精確的測量值74，誤差僅有正負1.91%。[2]

使用“標(biāo)準(zhǔn)燭光”方法計算哈勃常數(shù)是通過建造“宇宙距離階梯”來確定宇宙中的星系與我們之間的距離，這里涉及三個步驟：（1）尋找宇宙中的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”（造父變星）來精確測量我們到鄰近星系的距離；（2）以這些鄰近星系的恒星作為里程標(biāo)記來測量包含Ia型超新星的更遙遠星系的距離；（3）利用測得的我們到星系之間的距離，以及這些星系發(fā)出的光譜線到達地球所產(chǎn)生的紅移，來計算測定宇宙膨脹速率。| 圖片來源：NASA/HUBBLESITE

但是過去十年里的另一項獨立研究從中攪局。歐洲空間局“普朗克”空間計劃的科學(xué)家們測繪出了大爆炸的遺留輻射圖，即所謂的宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background, CMB），并用它來計算宇宙的基本性質(zhì)。依據(jù)關(guān)于宇宙的標(biāo)準(zhǔn)理論假設(shè)，他們計算出的哈勃常數(shù)值為67.8。

歐空局的普朗克（Planck）空間衛(wèi)星通過精準(zhǔn)觀測宇宙早期微波背景輻射，并基于早期宇宙學(xué)理論模型和測量早期宇宙應(yīng)該以多快速率膨脹來預(yù)測哈勃常數(shù)的數(shù)值。| 圖片來源：ESA

67.8和74之間的差距看似小，但是由于兩種觀測方法均已經(jīng)有所改進，這就逐漸產(chǎn)生了統(tǒng)計上有意義的差異。因此，理論學(xué)家已經(jīng)開始懷疑，上述差異的原因是不是來自宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)理論——ΛCDM有什么問題。

Adam Riess解釋說：“這不僅僅是兩個具有不同結(jié)果的觀測實驗。我們正在測量一些完全不同的東西。哈勃空間望遠鏡的觀測實驗是在測量當(dāng)前宇宙的膨脹速率，而普朗克空間衛(wèi)星的觀測實驗是基于早期宇宙學(xué)理論模型和測量早期宇宙應(yīng)該以多快速率膨脹而做出的預(yù)測。這兩個哈勃常數(shù)值之間的不一樣不是巧合，所以我們非常有可能遺漏了連接兩個時代的宇宙學(xué)模型中的某些東西?！?/p>

這個被稱為ΛCDM（即冷暗物質(zhì)（Cold Dark Matter）加上宇宙學(xué)常數(shù)Λ的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)理論）模型假設(shè)宇宙中存在隱形的冷的暗物質(zhì)粒子，以及被稱之為暗能量的神秘排斥力（以宇宙學(xué)常數(shù)Λ來代表其效應(yīng)）。但宇宙學(xué)家們一直絞盡腦汁尋找調(diào)整辦法來略微修正這個理論模型，使之能在和關(guān)于宇宙的其它一切觀察保持一致的前提下，解決這個問題?！皬摩獵DM宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型里尋找可能的線索很困難，就像是沒有那種松散的線頭，你一拽就能解開整個謎團?！敝ゼ痈绱髮W(xué)的宇宙學(xué)家Rocky Kolb說。

2.尋找“標(biāo)準(zhǔn)燭光”測量哈勃常數(shù)

現(xiàn)在，F(xiàn)reedman的測量方法更新了常用的哈勃測量法中的一個關(guān)鍵要素，最終得到了落在67.8和74中間69.8這個值。

測量哈勃常數(shù)最大的難點在于可靠地測量各個星系到我們的距離。哈勃最初的估算法基于對較近星系的距離所做的測量。為此，他觀察了一類被稱為“造父變星”的明亮恒星。天文學(xué)家勒維特（Henrietta Swan Leavitt）于20世紀(jì)初葉發(fā)現(xiàn)，這些恒星實際的亮度是可以預(yù)測的。因此，通過測量它們在照相版上顯示出的亮度，她就可以計算出恒星有多遠。天文學(xué)家把這種標(biāo)志性星體稱為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

然而自此之后，天文學(xué)家一直在嘗試尋找比造父變星更好的標(biāo)準(zhǔn)燭光，因為造父變星傾向存在于擁擠、充滿塵埃的區(qū)域，這會導(dǎo)致對它們亮度的估算產(chǎn)生誤差?！拔ㄒ粡氐椎慕鉀Q方案是發(fā)展一種獨立的測量法。至今為止我們還從未檢驗過造父變星，”Freedman說。她職業(yè)生涯中的大部分時間都用來改進造父變星測量的準(zhǔn)確和精密程度了?！八浪械臇|西都埋在什么地方?！盞olb說。

Freedman和她的同事們完全繞過了造父變星，而選擇了紅巨星——已經(jīng)膨脹的老年恒星——作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，同時選擇超新星爆發(fā)作為更遠星系的指示標(biāo)識。

老年紅巨星是測量當(dāng)前時刻宇宙膨脹率的一種新方法的焦點。| 圖片來源：NASA/ESA/SPL

3.紅巨星的計算結(jié)果

紅巨星比造父變星要常見得多，很容易在星系的邊緣區(qū)域找到。在這些區(qū)域，恒星之間充分疏離，也沒有塵埃的問題。紅巨星的亮度變化很大，但是當(dāng)我們考慮整個星系的全部紅巨星族群時，就有了一個很好用的特征。紅巨星的亮度在數(shù)百萬年的時間里逐漸增加，直到達到最亮的那一刻，然后會突然變暗。如果天文學(xué)家把一大群星體的顏色和亮度畫到圖上，紅巨星會顯示成一片點云，有著明確的邊界。在那邊界上的星體就可以作為標(biāo)準(zhǔn)燭光。

Freedman團隊使用這個方法計算了18個星系和我們之間的距離，對哈勃常數(shù)的估算首次達到了可以和基于造父變星的研究相媲美的精確度。

圖中是Freedman團隊挑選用來計算宇宙膨脹速率的星系。他們在星系暈中尋找紅巨星，中間一行圖片是第一行的放大，底下一行是進一步放大，其中的黃色圓圈表示紅巨星。| 圖片來源：NASA, ESA, W. Freedman (University of Chicago), ESO, and the Digitized Sky Survey

Riess說，紅巨星研究仍然需要對星系中的塵埃含量做一定的假設(shè)，特別是這次研究用作一個基準(zhǔn)錨點的大麥哲倫星云?！肮浪銐m埃含量非常棘手。”Riess表示，對于作者們（Freedman團隊成員）的研究方法為什么會推導(dǎo)出哈勃常數(shù)的一個較低的估計值，必然會有很多討論。

Freedman團隊的研究結(jié)果和“普朗克”觀測數(shù)據(jù)的預(yù)測以及Riess的造父變星計算結(jié)果在統(tǒng)計上是相容的，也就是說，與這兩個實驗各自計算的誤差范圍是有所重疊的，而隨著紅巨星數(shù)據(jù)逐漸積累增加，這個新方法的準(zhǔn)確度也會相應(yīng)提高。在不久的將來很快就可能會勝過造父變星方法，Kolb說。

盡管紅巨星法的測量值可能會向其他兩種測量方法的結(jié)果之一偏移，或者保持不變，且其他兩種測量方法的結(jié)果向它收斂，但就目前而言，宇宙學(xué)家們還有很多謎團要破解。

4.差異的原因

到底要如何解釋宇宙膨脹速率的這些差異呢？

一種被稱為“早期暗能量”理論觀點認為，在早期宇宙中出現(xiàn)了一種意想不到的暗能量，這種暗能量如今已經(jīng)占據(jù)了宇宙70%的容量。這個理論如果是事實，將表明宇宙的演化就像是由普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量三者共同作用的最簡單的戲劇。

天文學(xué)家們假設(shè)暗能量存在于大爆炸后的最初幾秒，并將所有物質(zhì)推送到整個空間，然后宇宙開始初始膨脹。暗能量也可能導(dǎo)致了當(dāng)前的宇宙膨脹速率，這個理論表明，在大爆炸之后不久，存在著又一次暗能量爆發(fā)，這使得宇宙比天文學(xué)家預(yù)測的膨脹得更加快速。

另一種觀點則認為，宇宙中可能包含一種新的亞原子粒子，這些粒子以接近光速的速度運動，被統(tǒng)稱為“暗輻射”，包括先前已知的中微子等粒子，它們來源于核反應(yīng)和放射性衰變。

第三種可能的解釋是，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)或輻射的相互作用比先前假設(shè)的更強。

Freedman表示：“哈勃常數(shù)是確定宇宙的絕對尺度、大小和年齡的關(guān)鍵參數(shù)，是我們量化宇宙如何演化的最直接方式之一。之前觀測中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的分歧并沒有消失，但是這項新證據(jù)表明，對于是否有一個令人信服的理由讓我們確信現(xiàn)在的宇宙學(xué)模型里存在某種根本性的缺陷，目前尚不得而知?！?/p>