【博科園-科學科普】自從哈勃首次發現星系的距離和它遠離我們運動之間的關係以來，天體物理學家就開始測量宇宙擴張的速度。隨著時間的推移，空間本身的結構也會延伸，而在引力作用下的物體之間的距離也會增加，這意味著每個人都應該看到宇宙以同樣的速度膨脹。

膨脹宇宙的歷史包括被稱為大爆炸熱的、稠密狀態以及隨後結構的演化和形成。但是定量地了解目前(以及過去)的擴張速度對於理解我們的宇宙歷史和未來至關重要。圖片版權：NASA / CXC / M. Weiss

然而，這個速度是今天在宇宙學上激烈的爭論的主題。如果從宇宙大爆炸的餘輝中測量出這個速度，那麼哈勃常數就是67km / s / Mpc。如果從單個恆星，星系和超新星測量，則會得到不同的值：74 km / s / Mpc。誰是對的？誰是又錯誤的？這是當今科學界最大的爭議之一。

宇宙的預期命運(前三幅插圖)都對應著物質和能量對抗初始膨脹率的宇宙。在我們觀測到的宇宙中，宇宙加速是由某種暗能量引起的，而這種暗能量至今還無法解釋。圖片版權：E. Siegel / Beyond the Galaxy

如果宇宙今天在膨脹，那就意味著它在遙遠的過去一定更緊湊，更密集，甚至更熱。事實是宇宙之間的距離越來越遠，這意味著它們在很久以前就在一起。如果萬有引力將大塊物質聚集在一起，那麼我們今天所看到的星系和空洞豐富的宇宙在數十億年前必定更加均勻統一。

如果能測量今天的擴張速度以及宇宙中有什麼？可以知道：

1、是否發生了大爆炸？

2、我們的宇宙有多大？（目前已知138.2億歲）

3、否會永遠的膨脹？

如果你能準確地測量出哈勃常數的值，你將能知道這些問題的答案。

明顯的膨脹率(y軸)與距離(x軸)的圖，與過去擴張得更快宇宙是一致的，但現在仍在擴張。這是一個現代版的，比哈勃的原作要遠不止幾千倍。注意，這些點不構成一條直線，表明膨脹率隨時間變化。圖片版權：Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al. (2014)

哈勃常數似乎是一個簡單的量來衡量。如果能測量物體的距離和它遠離的速度(從它紅移)，這就是得到哈勃常數所需要的，這就是距離和衰退速度的關係。問題的出現是因為不同的測量哈勃常數的方法給出了不同的結果。事實上有兩種主要的方法，每一種的結果都是不相容的。

TOP1、「距離階梯」的方法

宇宙「距離階梯」的建造包括從我們的太陽繫到恆星到附近的星繫到遙遠的星系。每一個「步驟」都有不確定性；如果我們生活在一個密度低或過密的區域，它也會偏向於更高或更低的值。圖片版權：NASA,ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

遙望遠方的星系，它有多遠？如果能測量其中的單個恆星，知道恆星是如何工作的，可以推斷出這些星系的距離。如果能測量其中的超新星，就知道超新星是如何工作的，同樣的會有一段距離。從視差(在我們自己的星系內)跳躍到造父變星(在我們自己的星系和附近的星系中)到Ia型超新星(在所有星系中，從附近到超遙遠的星系)，並且可以測量宇宙的距離。當將其與紅移數據結合起來時，始終在72~75km / s / Mpc範圍內得到膨脹速率——對於哈勃常數來說，這是一個相對較高的值。

TOP2、「剩下的遺迹」方法

CMB最好的地圖以及對暗能量和哈勃參數的最好限制。圖片版權：ESA & the Planck Collaboration (top); P. A. R. Ade et al., 2014, A&A (bottom).

當宇宙大爆炸發生時，我們的宇宙形成了高密度和低密度的區域。在早期階段，三個關鍵要素是暗物質，正常物質和輻射。引力的作用是使正常物質和暗物質都落入其中的高密度地區。輻射的作用是把這個多餘的東西「推」出去（輻射出去），但是與普通物質相互作用的不同於暗物質。這就給宇宙留下了一組特定的尺度標記，隨著宇宙的膨脹而增長。通過觀察宇宙微波背景的波動或由於重子聲波振蕩引起的大尺度結構的相關性，我們得到的膨脹率在66-68km / s / Mpc範圍內——哈勃常數較低的值。

重子聲學振蕩（Baryon Acoustic Oscillations）引起的聚類模式的一個例子，其中找到距離任何其他星系一定距離處的星系的可能性由暗物質和正常物質之間的關係決定。隨著宇宙的擴展，這個特徵距離也擴大了，使我們能夠測量哈勃常數。圖片版權：Zosia Rostomian

這兩種方法的不確定性都很低，但也互不「兼容」。如果宇宙的物質和暗能量比我們現在想像的要少，那麼「剩下的遺迹」方法上的數字就會增加，從而與更高的值對齊。如果我們距離測量的任何階段都有誤差，無論是視差、校準、超新星演化，還是造星距離，「距離階梯」的方法都可能被人為地抬高。也有許多人贊成的可能性，真正的值介於兩者之間。

藝術描繪了兩顆合併中子星。漣漪的時空柵格代表著從碰撞中發出的引力波，而窄的光束則是在引力波(由天文學家探測到的伽馬射線)後幾秒鐘射出的伽馬射線。合併中子星可能提供一種測量宇宙膨脹率的新方法。圖片版權：NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

最近有很多關於中子星碰撞的事情可以通過提供第三種獨立的方法來解決這一問題。理論上可以收到的信號的幅度直接取決於合併的距離。觀察足夠多的，並（通過電磁跟蹤）獲得主星系的紅移，並且已經測量了哈勃常數。但是，這第三種方法雖然很有說服力，卻有其自身的一些不確定性，其中包括：

1、關於中子星合併參數的未知數

2、與宿主星系相關的奇特速度

3、和局部(附近)的空隙和擾動的膨脹率

在我們的星系中，一個沒有物質的空間區域揭示了宇宙之外的宇宙，那裡的每一個點都是一個遙遠的星系。可以很清楚地看到集群/空洞結構。如果我們生活在一個密度較低的區域，這可能會影響到「距離階梯」和合併中子星/標準警笛方法。圖片版權：ESA/Herschel/SPIRE/HerMES

其中一些不確定因素與「距離階梯」的方法相同。如果這種「標準警笛」方法(它即將被調用)與更高的72-75 km/s/Mpc相一致，比如在30次探測之後，這並不意味著問題就解決了。相反，有可能是系統的錯誤，或者所使用的方法固有的錯誤，會使你趨向於人為的更高值。當前兩種方法給出不同的結果時，有第三種方法是很有幫助的，但是第三種方法並不是完全獨立的，而且它本身也有不確定性。

CMB（綠色）和BAO（藍色）數據的距離階梯（紅色）的現代測量張力。紅點來自距離階梯法; 綠色和藍色來自「剩餘的遺迹」方法。這些信息摘自「重子聲學振蕩測量的宇宙學影響」一文。圖片版權：Aubourg, éric et al. Phys.Rev. D92 (2015) no.12, 123516.

準確地了解宇宙膨脹的速度，是解釋萬物起源的關鍵因素，它是如何形成的，以及它的走向。所有參與的研究團隊都非常小心，做非常出色的工作，隨著測量越來越精確，緊張關係也只會增加。然而宇宙必須有一個單一的、整體的膨脹率，所以一定存在一個錯誤、錯誤或偏差，可能存在於多個地方。不過即使有了我們所有的數據也必須小心。有第三種方法並不一定是一種打破常規的方法；如果我們不小心，這可能會成為一種欺騙自己的新方法。誤解宇宙並不會改變現實，所以要確保我們做的是對的。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

內容：「博科園」判定符合今主流科學

來自：Forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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