宇宙膨脹問題有新研究成果，可謂是喜憂參半

最新 03-13

據Earthsky網站3月11日報道，關於宇宙膨脹問題，一直是科學界的最前沿話題。這次科學家為我們帶來了一個好消息和一個壞消息。

好消息是天文學家已經獲得了目前為止最為精確的數據，揭示了自從宇宙大爆炸以來宇宙膨脹的速率。而壞消息則是這個新的測量數字與獨立測量的早期宇宙膨脹數據有所差異，這可能意味著我們對於宇宙構造的理論仍不完善。

在宇宙的深處，是不是有些是人類真的沒有預料到的呢？

諾貝爾獎獲得者，John Hopkins大學的著名教授亞當里斯說：天文圈正在努力理解這個差異中蘊含的意義。

他領導了一個用哈勃望遠鏡測量宇宙膨脹率的小組，並在2011年因為發現宇宙加速膨脹而獲得諾貝爾獎。

由來自Hopkins大學和空間望遠鏡科學協會研究者們組成的團隊，在過去6年內使用哈勃空間望遠鏡，把恆星當作距離標記來獲得星系更精確的距離數據。這些測量用來計算宇宙隨時間的膨脹速率，也就是哈勃常數。

由歐空局普朗克衛星得到的測量數據用來繪製宇宙微波背景輻射圖，它預測哈勃常數目前應為42英里（67千米）每秒每百萬秒差距（330萬光年），不高於43英里（69公里）每秒每百萬秒差距。這意味著離我們330萬光年遠的星系相對於我們的移動速度每秒快42英里（67公里）。但是里斯的團隊測量到的數據是45英里（73公里）每秒每百萬秒差距，這說明什麼呢？現在星系的移動速度比通過觀測早期宇宙而推斷的移動速度更快。

哈勃望遠鏡的數據如此精確，以至於天文學家並不認為它錯了，也不能忽視其中差異。里斯說：兩個結果均已成功接受多重檢驗。如果沒有錯誤的話，可能這個差異代表的並不是BUG（漏洞），而是宇宙的一種特徵了。

解釋這個「惱人」的差異

里斯想出了誤判的幾種可能解釋，它們都與宇宙中含量95%的人們看不到的物質有關。一種可能性是暗能量——使宇宙加速膨脹的物質。它可能會以更強有力的姿態把星系們互相扯遠。於是，宇宙膨脹的加速度可能並不是一個常數，而是隨著時間不斷變化。

另一個想法是宇宙中有一種新的亞原子粒子，以接近光速傳播。這樣速度的粒子被統稱為「暗輻射」，包括以前人們知道的中微子（在核反應和放射衰變中產生）。與尋常可以與亞原子力互動的中微子不同，這種新粒子只會受重力場影響，於是它得到了一個綽號：「頑固」中微子。

另一種吸引人的可能性是暗物質——一種不可見的物質形式，也不是由質子種子電子組成的。人們發現它與一般物質或輻射的互動比之前預測的更猛烈一些。

上述任何情形都能改變早期宇宙，造成理論模型之間的差異性。這些差異會使通過對早期宇宙觀測而計算出的哈勃常數值不正確，並且使這個計算出的哈勃常數值與本次通過哈勃觀測而計算出的哈勃常數值不同。

里斯和他的同事們並沒有這個問題的答案，但是他的團隊會繼續為精確的宇宙膨脹速率而努力。目前為止，一個昵稱為SHOES的團隊，已經把不確定性降低到了2.3%。

創造更好的距離尺度

團隊通過對宇宙距離測量方法的升級，成功獲得了哈勃常數更精細的數值。這種測量方式包括一系列互相聯繫的測量方法，允許天文學家測量幾十億光年外星系的距離。

用尺子來測距對於這些星系來說顯然不可能，但是他們用一些特殊的恆星和超新星當做參照物，可以精確測量星系距離。

最常用的測離我們較近星系距離的參照物就是造父變星，它在特定周期內會有從明亮到暗淡的變化。一些遙遠的星系也有其他的參照物，比如恆星爆炸後的產物——Ia型超新星，它們很亮，在很遠的地方就能看到；同時所有Ia型超新星的亮度一致。用視差法，天文學家可以測出它們到我們的距離，不受亮度影響。

之前的哈勃觀測數據研究了在300光年到1600光年外10顆「不停閃爍」的造父變星。最新的研究用視差法測定了銀河系內新發現的8顆造父變星的距離，它們比以前使用的造父變星遠10倍，在6000光年到12000光年遠。

為了用哈勃望遠鏡測量視差，里斯的團隊必須通過日地運動精確測量造父變星輕微的晃動。這些晃動在望遠鏡的相機里只佔百分之一像素，相當於在100英里（160公里）外看沙子。

為了確保測量的精確程度，天文學家發明了更機智的方法——在1990年哈勃望遠鏡發射時這個方法甚至還沒有問世。他們用一種掃描技術，在4年中每6個月用望遠鏡測量恆星位置，1分鐘的時間可以測量1000次。這樣得到的圖像是光的條紋。里斯說：這個方法可以通過重複的測量來得到最微小的偏移數據。你用相機來測量兩顆恆星的間隔，而不僅是一個地方，但經過幾千次的測量，誤差總會減小。

里斯的團隊比較了地球到星系的相對距離和通過紅移測量到的宇宙膨脹數據，使用了各個距離中星系的速度計算哈勃常數。他們的目標是使用來自哈勃望遠鏡和歐空局Gaia空間天文台的數據繼續降低不確定性，以前所未有的精度測量恆星的位置和距離。

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