宇宙衝突：宇宙膨脹的分散數據使科學家極化，如何理解宇宙的全面危機

關於天文測量的爭論開始於我們如何理解宇宙的全面危機。兩個數據集，一個來自近140億年前的新生宇宙，另一個來自我們今天看到的恆星，它們對一個看似簡單的問題產生了矛盾的答案：宇宙膨脹的速度有多快？

答案之間的差距只有9%，但遠遠超過每個數據集的估計不確定性。

研究人員對這一差距的每一方都稱之為「緊張」，並在密切關注他們的觀察結果的有效性。這種緊張是科學幻想和噩夢的素材。它暗示，在某種程度上，我們對自然規律的理解可能有根本的缺陷，對物理學有潛在深遠的影響，甚至可能是所有事物的命運。

約翰霍普金斯大學的天體物理學家Adam Riess和太空望遠鏡科學研究所的一位科學家說：「如果緊張不是僥倖，也不是測量誤差，那就意味著我們的模型中缺少了一些東西。」「為早期宇宙做這個測量，然後把它與今天的比較是對我們關於宇宙構建的整個故事的一個端到端的測試。問題是，如果有什麼東西不適合，我們不知道故事到底在哪裡發散。」

宇宙膨脹率問題的答案是哈勃常數，它是由天文學家埃德溫哈勃命名的，他在20世紀20年代發現宇宙正在膨脹。星系以與它們的距離成比例的速度從我們處退去，越遠越快。哈勃常數是宇宙距離和速度之間的關係。

但這樣做不僅揭示了天文學家的興趣，而且對宇宙學家和物理學家也有興趣。因為常量代表宇宙長歷史中任何特定時刻的膨脹率，隨著時間的推移測量其值提供了宇宙如何在億萬年上演化的廣闊的視野，給研究者提供了我們宇宙起源和未來的關鍵線索。

不知何故被空虛召喚，數十億個向外奔跑的星系也感受到後視鏡中所有東西的集體引力，試圖把它們拽回來。哈勃常數反映了宇宙中所有物質的總和和作用在重力上的力，或者重力是否會最終贏得銀河系拔河。

宇宙的內容最終可能會逆轉一個叫做「大緊縮」的場景，在這個場景中，重力把一切都拉回到一個無限熱和稠密的點，就像誕生大霹靂一樣。

或者宇宙可能無限地穩步擴展，越來越冷，無精打采，在一個「大寒戰」，提供無限的空間和時間，但最終很少做。或者宇宙膨脹可能會急劇加速，變得如此不規則，以至於它的所有騎手都要賠錢。這樣一個加速的宇宙可以分裂星系，然後恆星，然後行星，原子和亞原子粒子，直到即使是現實的織物本身在它的縫隙分裂在一個「大撕裂」，幾乎沒有留下任何東西。宇宙會在火、冰或空虛中結束嗎？哈勃常數知道，但是在緊張得到解決之前，答案是不清楚的。

「這是宇宙學參數中最重要的，」芝加哥大學的天體物理學家Wendy Freedman說，她的職業生涯一直在追求哈勃常數。「它是錨，因為它對最大數量的事物有最高的影響。這是一個真正重要的測量。「在20世紀90年代和2000年代早期，弗雷德曼領導了一個團隊，用哈勃太空望遠鏡提供了當時常數最好的測量值。其他人則在不斷改進。

在過去的十年里，里斯一直處於這一努力的最前沿，帶領著一組天文學家們在地面和太空中使用望遠鏡，以進一步改進哈勃常數的估計，這是一個叫做「Se0ES」的項目（不要問）。

SHOES的選擇目標是被稱為Ia型超新星的爆炸恆星。這些爆炸的恆星在整個宇宙中閃耀著幾乎相同的亮度，使之成為理想的「標準蠟燭」來測量與其他星系的距離。通過知道一種IA到底是多麼明亮，而在望遠鏡中看起來是多麼明亮，科學家們可以計算出地球和那遙遠的恆星災難之間有多少空間。它們還可以測量超新星的紅移，這是超新星和地球之間的空間擴展將超新星的光延伸到更長、更紅的波長的方式。然後，他們通過比較宇宙中分散的許多超新星的紅移和亮度來估計膨脹率。然而，為了校準它們的超新星測量，SHOES團隊還使用另一種標準蠟燭：造父變星，其周期性地相對於它們的光度脈動，並在銀河系附近提供優越的距離測量。

對超新星和造父變星數據的配對使SUEES團隊能夠更穩定地估計哈勃常數，將測量誤差的誤差從2009的5%降低到2016的2.4%。他們最近的努力，使用新的和改進的來自歐洲航天局（EASA）GaAI航天器的造父距離數據校準，將不確定性降低到2.2%。多年來，SU0S團隊對哈勃常數的計算一直保持著非常一致：根據超新星和造父變星，宇宙以每秒73.5公里每秒的速度擴張（大約330萬光年）。也就是說，在我們和另一個星系之間的每330萬光年的空間中，後者會從我們這裡退回73.5公里每秒的速度更快。

緊張局勢出現在另一個ESA飛船普朗克的獨立測量中。從2009到2013，普朗克創造了前所未有的詳細的宇宙微波背景圖（CMB），宇宙大爆炸的原始火球餘輝從宇宙只有380000歲。普朗克團隊首先通過對聲波的大小和運動的模擬，得出了哈勃常數從過去的時代開始，聲波應該在充滿早期宇宙的帶電粒子湯中蕩漾。

接下來，他們將這些估計與印在CMB上的實際回聲進行比較。該比較提供了CMB的距離和其特徵的標量維度，允許普朗克團隊以每兆秒每秒僅67.3公里的速度來計時原始宇宙的擴展速率。這一估計及其顯著的誤差率僅為1%，主要取決於公認的宇宙學「標準模型」——一個粗略的理論結構，它有力地預言了CMB和當代宇宙的許多觀測特徵。

「這就像兒科醫生測量和計算，你的孩子最終會有六英尺高，但你的孩子最終成長為六英尺半，」Riess說。「這意味著其他的事情正在發生，也許你的孩子有成長的衝動或者注射荷爾蒙。在這種情況下，它是我們最好的宇宙學模型的物理學，提供了生長圖。但是誰能說我們真的有這個權利？「

Riess說，現在通過蓋亞的造父距離測量再次進行了一次測試，哈勃常數測量的統計概率是7000的一個。物理學家通常認為在達到統計似然的百萬分之一範圍內的測量是有意義的；目前，SUEES的結果仍然沒有達到那個崇高的標準，而是越來越接近。同時，普朗克團隊也沒有讓步，團隊成員一致認為，其結果的有效性幾乎是無懈可擊的。

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