超精密的新測量顯示：宇宙現在的膨脹速度比早期快！

博科園：本文為天文學類

宇宙中有些東西不太對，至少根據物理學家目前所知的一切。隨著時間的推移，恆星、星系、黑洞和所有其他天體都在以更快的速度相互遠離。過去我們在宇宙附近的測量發現，宇宙向外爆炸膨脹的速度比開始時要快。根據科學家對宇宙的最佳描述，情況不應該是這樣。如果對哈勃常數的測量是正確的，那就意味著目前的模型缺少了重要的新物理學，比如未被解釋的基本粒子，或者神秘物質暗能量發生了奇怪的變化。現在發表在《皇家天文學會月刊》(Monthly bulletin of the Royal Astronomical Society)上的一項新研究中，科學家們以一種全新的方式測量了哈勃常數，證實了宇宙現在的膨脹速度確實比早期快。

博科園-科學科普：為了解釋宇宙是如何從一個微小的、熱的、稠密的液體等離子體微粒變成我們今天看到的廣大宇宙空間，科學家們提出了被稱為Lambda冷暗物質(LCDM)的模型。該模型限制了暗物質和暗能量的性質。暗物質是一種施加引力但不發光的物質，暗能量似乎與引力相反。LCDM可以成功地複製星系的結構和宇宙微波背景（宇宙的第一束光）以及宇宙中氫和氦的數量。但是它不能解釋為什麼宇宙現在比早期膨脹得更快。這意味著，要麼LCDM模型是錯誤的，要麼宇宙膨脹速度的測量是錯誤的。加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles)研究員、這項新研究的主要作者西蒙·比勒(Simon Birrer)說：這種新方法的目的是最終解決關於宇宙膨脹率的爭論。

這張哈勃望遠鏡拍攝的圖像顯示了一個雙像類星體，它可以用來測量哈勃常數。利用這種雙像類星體系統測量哈勃常數的新技術，可以幫助天文學家更好地理解宇宙的膨脹率是如何隨時間變化。圖片：NASA Hubble Space Telescope, Tommaso Treu/UCLA, and Birrer et al

到目前為止，新的獨立測量結果證實了這種差異，表明可能需要新的物理學。為了確定哈勃常數，科學家們之前使用過幾種不同的方法。一些利用了局部宇宙中的超新星(宇宙附近的部分)，而另一些則依賴於造父變星，即在亮度上有規律地跳動和閃爍的恆星類型，還有一些人研究了宇宙背景輻射。這項新研究使用了一種技術，利用類星體發出的光（由大質量黑洞提供能量的極其明亮的星系）試圖打破這種束縛。諾貝爾獎得主、約翰霍普金斯大學太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute)研究員亞當里斯(Adam Riess)說：不管實驗有多仔細，總有一些效果是內置在他們用來測量工具里的。因此當一個團隊像這樣出現，使用一套完全不同的工具……得到相同的答案時

可以很快得出結論，這個答案不是技術上的嚴重影響造成，我認為我們的信心正在增長，相信確實有一些有趣的事情正在發生。這項技術的原理是：當類星體發出的光線經過一個介入星系時，這個星系的引力會導致光線在撞擊地球之前發生「引力彎曲」。這個星系就像一個透鏡，將類星體的光扭曲成多個副本——最常見的是兩個或四個副本，這取決於類星體相對於星系的排列。每一個副本在星系中都走了一條稍微不同的路徑。類星體通常不像許多恆星那樣穩定地發光。由於物質落入中央黑洞，它們的亮度會以小時為單位變化到數百萬年。因此，當類星體影像以不相等的光路徑被透鏡化成多個副本時，類星體亮度的任何變化都會導致副本之間產生微妙的閃爍，因為來自某些副本的光到達地球需要更長時間。

通過這種差異，科學家們可以精確地確定我們離類星體和中間星系有多遠。為了計算哈勃常數，天文學家們將這段距離與物體的紅移進行了比較，紅移指的是光譜中波長向紅端移動的距離(紅移表示隨著宇宙的膨脹，物體的光被拉伸了多少)。在過去，科學家們已經研究過能產生四幅類星體圖像或副本的系統發出的光。但是，在這篇新論文中，Birrer和合作者成功地證明了從只產生雙星圖像系統中測量哈勃常數是可能的。這極大地增加了可以研究的系統的數量，最終將使哈勃常數得到更精確的測量。四次出現類星體的圖像非常罕見——整個天空中可能只有50到100個，而且不是所有的類星體都亮到可以測量，然而雙透鏡系統的頻率要高5倍。

雙透鏡系統的新結果，加上之前測量的其他三個四透鏡系統，使哈勃常數的值為每秒72.5公里每百萬秒；這與其他局部宇宙測量結果是一致的，但仍然比來自遙遠宇宙(更古老或更早期的宇宙)的測量結果高出8%左右。隨著這項新技術被應用到更多的系統中，研究人員將能夠確定遙遠(或早期)宇宙和局部(更近)宇宙測量值之間的確切差異。到有一個非常精確的測量不一致的程度，因為最終這將是一個線索，讓理論能夠說明正在發生的事情。準確測量哈勃常數不僅有助於科學家了解宇宙正在以多快的速度膨脹。在確定宇宙的年齡和遙遠星系的物理大小時，這個值是必不可少的。它也為天文學家提供了暗物質數量和暗能量的線索。至於解釋什麼可能是奇異物理學可能解釋在膨脹率測量中的不匹配，那是一條很長的路。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《皇家天文學會月報》

文: Mara Johnson-Groh, Live Science

DOI: 10.1093/mnras/stz200

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