圖片：NASA

科技日報記者 唐芳

大爆炸宇宙學(xué)最主要的觀測證據(jù)之一，就是哈勃定律所揭示的宇宙膨脹現(xiàn)象，對于宇宙膨脹速度的研究關(guān)乎宇宙本質(zhì)。如果說宇宙正在不斷膨脹，那么它膨脹的速度到底有多快呢？

天文學(xué)上用哈勃常數(shù)來表示當(dāng)前宇宙膨脹速度?？茖W(xué)家通過宇宙距離階梯方法和宇宙微波背景輻射方法，得出的哈勃常數(shù)分別為74.03±1.42km/s/Mpc（即距離地球326萬光年的天體退行速度為每秒74千米），誤差2%和67.4±0.5km/s/Mpc，誤差0.7%。顯然，這兩種結(jié)果存在明顯的偏差，這就是哈勃常數(shù)危機。近日，第三種獨立觀測結(jié)果的揭曉，使得對宇宙膨脹速度的研究更為撲朔迷離。

一個國際天文學(xué)研究團隊利用強引力透鏡效應(yīng)，通過10年的持續(xù)觀測，測得哈勃常數(shù)為67.4，誤差5%。該研究結(jié)果于11月20日發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》雜志上。

兩種方法各有缺陷 導(dǎo)致哈勃常數(shù)之爭

北京師范大學(xué)天文系教授胡彬在接受科技日報記者采訪時表示，測量宇宙膨脹速度的方法有很多，相對而言，宇宙距離階梯方法和宇宙微波背景輻射方法是最準(zhǔn)確的兩種。

那么，為何這兩種測量方法會得出不同的答案？上述研究團隊成員之一、武漢理工大學(xué)理學(xué)院副教授廖愷表示，這有兩種可能，一是由于未知的系統(tǒng)誤差，如儀器、處理方式或未知的天體物理過程等所帶來的誤差；二是當(dāng)前宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的假設(shè)可能存在錯誤，例如宇宙可能不平坦、暗能量狀態(tài)方程有誤或存在未知的中微子分支等。

廖愷進一步解釋道，宇宙距離階梯方法是一種直接測量方法。由于Ⅰa型超新星本身的光度恒定，它們又被稱為宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光?？茖W(xué)家可以通過測量Ⅰa型超新星的亮度變化來測量它們遠離我們的速度，借此便可以推算出宇宙膨脹的速度是多少?！懊恳徊教祗w校準(zhǔn)過程都會不可避免地產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，多次校準(zhǔn)后，可能會使得結(jié)果精確但不準(zhǔn)確?！彼硎?。

而關(guān)于宇宙微波背景輻射方法，胡彬表示：“盡管這一測量方法本身十分準(zhǔn)確，但是其對哈勃常數(shù)的計算屬于間接測量，比較依賴宇宙學(xué)模型的假定。”

“傳統(tǒng)測量哈勃常數(shù)方法的缺陷可能在短期內(nèi)無法得到有效修正。因此才有了‘哈勃常數(shù)爭論’。”廖愷表示，最新研究中第三種獨立的測量方法——利用強引力透鏡效應(yīng)也許能夠提供新的視角。

當(dāng)然，除了上述3種哈勃常數(shù)測量方法外，科學(xué)家一直在尋找更多新的測量方式。廖愷此前曾提出利用瞬變源測量哈勃常數(shù)，他認(rèn)為宇宙中如各類超新星、伽馬射線暴和它的余輝、重復(fù)快速射電暴，甚至是引力波等瞬變源，都可以用于測量哈勃常數(shù)。

第三種方法早已有之 10年觀測獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)

事實上，早在20世紀(jì)60年代，就曾有人提出利用強引力透鏡效應(yīng)測量哈勃常數(shù)，但是由于觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較低、理論認(rèn)識不足等原因，這一方法直到近幾年才被學(xué)界廣泛認(rèn)同。

引力透鏡效應(yīng)，是指電磁波或引力波在大質(zhì)量天體附近經(jīng)過時，會像通過透鏡時一樣發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在觀測者眼中形成多個像。

廖愷介紹道，強引力透鏡指宇宙學(xué)距離上的類星體、前景的透鏡星系和地球處于三點一線的位置時，透鏡星系的引力場會讓類星體產(chǎn)生多個像，且每個像到達地球的時間不同。因此，強引力透鏡效應(yīng)可以幫助科學(xué)家進行絕對距離測量，也就是測量所謂的“時間延遲距離”，它的值反比于哈勃常數(shù)。

廖愷表示，根據(jù)強引力透鏡原理得到“時間延遲距離”，需要3種測量數(shù)據(jù)支撐。

一是測量多像延遲時間。透鏡化類星體對應(yīng)多個像，除了整體放大不同和在觀測時間上有整體平移，它們的光變曲線幾乎長得一模一樣。通過對光變曲線的對比就可以測量不同的像到達地球的時間差，這個過程需要多年的測光監(jiān)測。

二是對于費馬勢即透鏡星系引力勢的測量。所謂引力勢，即透鏡星系的質(zhì)量分布對應(yīng)一個引力勢場，在其中光的傳播會發(fā)生偏折，出現(xiàn)引力透鏡效應(yīng)。測量引力勢，需要利用哈勃太空望遠鏡等獲取高質(zhì)量類星體活動星系核所在星系的光弧成像，進而得到恒星運動學(xué)中心彌散速度數(shù)據(jù)等。

三是對于視線方向物質(zhì)漲落的測量。此效應(yīng)會和哈勃常數(shù)混合到一塊，需要單獨利用星系計數(shù)和弱引力透鏡等測量方法將它們區(qū)分開來。

在廖愷看來，此次最新研究成果得益于高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。“研究人員堅持觀測10年之久，借助最先進的分析程序和國際團隊合作，讓研究結(jié)果‘既準(zhǔn)確又精確’?！?/p>

中國科學(xué)院國家天文臺副研究員李然也認(rèn)為，此項研究獲得了一批最新數(shù)據(jù)，是第三種獨立觀測方法所取得的重要進展。

準(zhǔn)確度比精確度更重要 控制系統(tǒng)誤差很關(guān)鍵

對于哈勃常數(shù)的研究而言，準(zhǔn)確度遠比精確度重要。而提高準(zhǔn)確度的手段，便是盡可能控制各方面的系統(tǒng)誤差。

李然介紹道，此前科學(xué)家曾經(jīng)使用6個強引力透鏡樣本測量哈勃常數(shù)。此次研究團隊使用33個強引力透鏡樣本去分析此前6個強引力透鏡樣本的系統(tǒng)誤差，樣本數(shù)量的增加讓研究人員能夠更好地控制系統(tǒng)誤差，因此取得了更精確的結(jié)果。

此前研究團隊的測量結(jié)果為73.3，誤差2.4%，與宇宙微波背景輻射方法所得的結(jié)果矛盾。而此次研究團隊給出哈勃常數(shù)為67.4，誤差5%。在科學(xué)上與宇宙微波背景輻射方法以及此前團隊的研究結(jié)果都不矛盾。

“雖然本次測量的精確度下降了，但這一結(jié)果在當(dāng)前技術(shù)下做到了最大程度的準(zhǔn)確度。”廖愷認(rèn)為。

研究人員在研究了33個星系以及星系透鏡系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)透鏡星系很可能受到“質(zhì)量簡并”效應(yīng)的影響。所謂“質(zhì)量簡并”，即在重子主導(dǎo)范圍內(nèi)，均勻分布的暗物質(zhì)僅會對時間延遲造成影響，而不會改變其他觀測量，從而影響哈勃常數(shù)的測量。在考慮了這一效應(yīng)帶來的影響后，研究人員能夠更加準(zhǔn)確地描述透鏡星系，因此得出的哈勃常數(shù)發(fā)生了一定的改變，特別是統(tǒng)計誤差顯著地增大。

廖愷表示，與傳統(tǒng)測量方法一樣，強引力透鏡也有著自身特有的系統(tǒng)誤差，每一次測量都可能受到復(fù)雜的天體物理過程影響而不夠準(zhǔn)確。

李然也表示，強引力透鏡的局限性主要體現(xiàn)在可能會受到視線方向上物質(zhì)的干擾，因此透鏡系統(tǒng)建模的精確程度會影響測量準(zhǔn)確度。

廖愷告訴記者，未來研究團隊將在3個方面提高哈勃常數(shù)測量的準(zhǔn)確性和精確性，最終目的是得到1%精度的哈勃常數(shù)結(jié)論，從而解決這個宇宙學(xué)難題。

一是增加新樣本，最終樣本量可能會達到40個。二是利用自適應(yīng)光學(xué)和下一代空間望遠鏡，得到更加高質(zhì)量的圖像。三是研究新的算法來打破質(zhì)量簡并和哈勃常數(shù)之間的混淆。

“必須承認(rèn)，科學(xué)家要想通過強引力透鏡的方法解決哈勃常數(shù)問題，還需要進一步的努力?！绷螑鹫f。