宇宙的膨脹速度，怎麼又快了？

哈勃空間望遠鏡拍攝的星系UGC 9391，是這項新研究中採用的星系之一。這個星系包含兩類「量天尺」——造父變星（紅圈所示）和Ia型超新星（藍色游標所示）——天文學家利用它們計算出了更精確的哈勃常數。圖片來源：NASA/ESA/A. Riess [STScI/JHU]

宇宙正在膨脹，那膨脹的速度有多快？對於這個問題，天文學家已經獲得了迄今最精確的測量結果。問題是，在此之前，根據其他觀測數據以及我們目前對宇宙物理過程的了解，天文學家曾經預言了宇宙當前的膨脹速度，而此次獲得的觀測數據與此前的預言並不相符。

確切說來，宇宙現在的膨脹速度要比預言快了9%。天文學家稱，這一差異意味著，要麼對於宇宙微波背景輻射的觀測是錯的，要麼就是有某種未知的物理現象正在加速空間的膨脹。

美國加利福尼亞大學伯克利分校的天文學教授、宣布這一發現的論文合作者之一阿列克謝·菲利潘科（Alex Filippenko）說，「如果你真的相信我們的數值，相信我們費盡心血做出了正確的測量，並準確理解了結果的不確定度，那就只能得出一個結論——基於宇宙微波背景輻射（即大爆炸餘輝）的測量所作出的預言出問題了。」

他補充說，「或許宇宙在戲弄我們，或許我們對於宇宙的了解還不完整。」

原因有可能是存在另一種未知粒子，或許就是常被假設的中微子第4味，也有可能是暗能量（導致宇宙加速膨脹的不明因素）在138億年宇宙演化的歷史過程中影響力變得越來越大。還有可能是愛因斯坦的廣義相對論，即宇宙學標準模型的基礎，存在一點點偏差。

這項研究的領導者、美國約翰斯·霍普金斯大學及空間望遠鏡科學研究所的亞當·里斯（Adam Riess）說，「這一驚人發現或許是一條重要的線索，將幫助我們理解宇宙中所佔比例高達95%卻又不會發光的那些神秘成分，比如暗能量、暗物質和暗輻射（dark radiation）。」里斯曾在加利福尼亞大學伯克利分校任博士後研究員，與菲利潘科共事過一段時間。由於觀測Ia型超新星而發現宇宙正在加速膨脹，里斯在2011年獲得了諾貝爾物理學獎。

大爆炸餘輝

幾年前，歐洲空間局的普朗克天文台（Planck observatory）測量了宇宙微波背景輻射里的細微波動，這種背景輻射記載了早期宇宙的歷史。普朗克所作的測量結果，再結合當前的宇宙物理學標準模型，曾預言今天宇宙的膨脹速度應該為66.53±0.62千米/秒/百萬秒差距（km/s/Mpc）。百萬秒差距是一個距離單位，大約相當於326萬光年。

在此之前，對星系所作的直接觀測將宇宙當前的膨脹速率，也就是所謂的「哈勃常數」（Hubble constant），限定在了70到75 km/s/Mpc之間，允許有大約5%－10%的誤差——這個結果倒並不一定與普朗克的預言相違背。然而，菲利潘科說，最新的直接測量得出的膨脹速率為73.24±1.74 km/s/Mpc，不確定度僅有2.4%，顯然與普朗克的預言無法相容。

這個研究團隊開發了創新技術，改善了對遙遠星系距離的測量精度，從而提高了對宇宙當前膨脹速率的測量精度。研究團隊中有幾名成員都參與過當年的高紅移超新星搜尋團隊，正是該團隊在1998年共同發現了宇宙的加速膨脹。

研究團隊找到了一些星系，既含有造父變星（Cepheid），又包含Ia型超新星。造父變星是一類脈動變星，光變速率與它們自身的真實亮度相關。知道一顆恆星的真實亮度，再跟地球上它看起來的視亮度作個比較，就能夠準確測定它的距離，繼而了解它所在星系的距離。因此，造父變星又被稱為「量天尺」。Ia型超新星則是另一類常用的宇宙量天尺，這類爆炸的恆星在閃耀時本身都擁有相同的亮度，而且非常明亮，足以在更加遙遠得多的距離上被我們看見。

這些研究者測量了19個鄰近星系中的大約2400顆造父變星，並同時比較了兩類量天尺的視亮度，從而精確測定了Ia型超新星的真實亮度。然後，利用這一校準後的結果，他們又計算了遙遠星系中大約300顆Ia型超新星的距離。

「為了測定哈勃常數，我們既需要用造父變星來測定包含Ia型超新星的鄰近星系的距離，也需要用300顆更遙遠的Ia型超新星來測定它們所屬的那些遙遠星系的距離。」菲利潘科說，「這篇論文專註於那19個鄰近星系，確實非常非常好地測定了它們的距離，結果的不確定度很小，對那些不確定度也有了透徹的了解。」

天文學家利用哈勃空間望遠鏡測量了造父變星的距離，從而校準了它們的真實亮度，使得它們能夠被用作宇宙量天尺，去測量遙遠得多的其他星系的距離。這種測距方法要比傳統的視差法更加精確。圖片來源：NASA/ESA/A. Feild [STScI]/A. Riess [STScI/JHU]

校準造父變星

利用位於夏威夷的10米口徑凱克I望遠鏡，菲利潘科的團隊還測量了包含Ia型超新星的鄰近星系中造父變星位置附近氣體的化學丰度。這讓他們改善了測定這些星系距離的精確度，從而更準確地校準了Ia型超新星的峰值光度。

菲利潘科說，「在測定宇宙膨脹速率及準確評估結果的不確定度大小方面，我們已經做到了世界第一。然而，我們發現，從對早期宇宙的觀測中推測得出的膨脹速率，似乎跟我們測得的膨脹速率不太一致。這表明，我們對宇宙物理學的了解缺失了某一重要環節。」

里斯說，「如果我們知道宇宙最初的成分，比如暗能量和暗物質，並且我們的物理學是正確的，那麼你就可以從對大爆炸不久之後早期宇宙的測量結果中，利用我們對於宇宙的了解，去預言今天的宇宙應該膨脹得有多快。然而，如果這一差異被證明屬實的話，或許我們就還沒有正確地理解宇宙，而沒能理解的那部分改變了今天的宇宙學常數應有的大小。」

如何才能解釋這一差異呢？有可能暗能量的強度隨宇宙不斷擴張而變得越來越強，也有可能存在一類全新的亞原子基本粒子——速度接近光速、被稱為「暗輻射」的一類粒子。除此之外，還有一種可能的解釋是，暗物質擁有某些怪異到出人意料的屬性。暗物質是宇宙的「骨架」，正是在暗物質的框架之上，星系才能構建起今天我們看到的宇宙大尺度結構。