9%的差異之謎

1.

在極大和極小的尺度上，引力所施展出的作用並非如我們想像的那樣。在極大的尺度上，我們的宇宙沒有在引力作用下收縮，反而是在膨脹，並且是加速膨脹。用來判斷宇宙的膨脹速率的一個重要參數是哈勃常數（H?）。哈勃常數是以天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）命名的，它在各種各樣的宇宙學計算中都扮演者非常重要的角色，對宇宙的膨脹率和年齡的測量尤為關鍵。

因此，對天文學家來說，能準確地測量這個常數，就意味著他們離解決這個時代中的一些重大的天文學奧秘又近了一步。然而，很少有物理參數能像哈勃常數那樣讓天文學家焦躁不安。他們的問題在於，許多研究表明，從宇宙微波背景中測量得出的哈勃常數，與從更年輕的恆星中估算出的哈勃常數不一致。

在哈勃常數的數值上產生分歧並不少見，這是宇宙學中最古老的爭論之一，在過去的90多年裡，關於這個參數的具體數值的爭論從未停止過，且各個陣營都似乎有非常充分的理由。哈勃在1929年發表了他對宇宙膨脹的測量，當時他對膨脹速率的估算是目前普遍接受值的7倍。近一個世紀過去了，圍繞在這一數值周圍的謎團仍然存在。

近年來，天文學家對這個數值的測量比以往任何時候都更精確。隨著測量方法的改進，過去無關緊要的細微差異開始變得顯著起來。現在，全世界有許多不同的科研團隊都在試圖精進對哈勃常數的測量以平息這場爭論。

2.

由約翰霍普金斯大學的亞當·里斯（Adam Riess）領導的SH0ES合作項目對哈勃常數進行了迄今為止最精確的測量。他們測量出哈勃常數為74.03 ±1.42 km/s/Mpc（Mpc是百萬差距秒，這個數值意味著距離地球10百萬秒差距的星系正在以740.3 km/s的速度遠離我們）。這比被天文學界普遍接受的由普朗克衛星測得的67.4 km/s/Mpc高出9%。

哈勃常數的倒數與宇宙的年齡與有著直接的關係，也就是說，數值越大，我們宇宙的年齡就越小。如果我們接受哈勃常數的值正如SH0ES所測得的那樣，比之前測得的要高出9%的話，那麼由它推測出的將是一個年輕約10億年的宇宙。

這兩個哈勃常數的數值是通過不同的測量方法測得的。SH0ES團隊觀測的是年輕的天體，比如變星（亮度不斷變化的恆星）和超新星。首先，他們計算出這些天體離地球的距離，然後利用多普勒頻移法計算出這些天體的移動速度，由此推測出哈勃常數。普朗克衛星則利用了宇宙微波背景，它告訴天文學家的是從宇宙大爆炸的38萬年後，膨脹速度為何，然後再由此推測出在130多億年後，宇宙現在的膨脹速度應該為何。

那麼這9%的差異源自何處？天文學家認為，純粹由統計錯誤導致的可能性非常低，只有萬分之一。

理論上，用這兩種不同的方法應該得到相同的哈勃常數，而他們沒能得出相同結果這一事實則表明，天文學家用來從宇宙微波背景輻射中預測哈勃常數的宇宙模型，可能存在一些輕微的錯誤。對此，里斯是這樣描述的：「這就像你測量一個兩歲孩子的身高。而據你對人體成長的理解，你知道從兩歲到成年時，人的身高往往會翻倍，所以你就利用這條規則。接著再真正地測量這個人在成年時達到的身高是多少。如果他們比預期的要高一英尺，你就倍感驚訝。這就是我們現在的處境。」

3.

解決這種差異的一種方法是收集更多的數據進行比較。這正是許多研究團隊正在做的。其中一個是H0LiCOW合作組，這是一個由宇宙學家組成的國際研究團隊，他們研究的是源自遙遠類星體的光在巨大星系團周圍時發生的彎曲，是第三種測量哈勃常數的方式，結果得到了與SH0ES合作組一樣的答案。里斯說：「這兩種方法彼此之間沒有任何聯繫，這增強了我們的信心，它讓我們相信，這不僅僅是這些步驟中的一個簡單錯誤。」

除此之外，一些研究人員正試圖用引力波來測量哈勃常數。就在最近，由普林斯頓的天體物理學家領導的研究小組，利用在2017年探測到的雙中子星合併得出了一個新的哈勃常數的數值，這一測量運用的正是引力波技術。新的研究成果發表在了最新一期的《自然天文學》雜誌上。

在2017年8月17日探測到的雙中子星合併事件中，兩顆中子星的質量幾乎都是太陽的兩倍多，在相撞前有著極高的運動速度。合併所產生的引力波形成了一種獨特的波紋，根據這種引力波信號的形狀，天體物理學家可以計算出引力波的強度，然後將計算的結果與探測到的信號強度進行比較，從而計算出合併發生的位置離我們的距離。

然而這存在一個問題，那就是引力波的強度會隨它們相對於兩顆中子星的軌道平面的方向而發生變化。從地球的觀測角度垂直於軌道平面，那麼觀測到的引力波就更強；如果觀測角度是側向於軌道平面，那麼測得的引力波就更弱。

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○ 在射電波段對中子星合併後噴射出的物質進行觀測，對確定合併前兩顆中子星所在的恆星軌道平面的方向，以及由此確定向地球方向發射的引力波的「亮度」至關重要。從而使這類事件成為新的測量宇宙膨脹率的重要工具。| 圖片來源：Sophia Dagnello / NRAO，AUI、NSF

因此，他們結合了來自世界各地射電望遠鏡的數據，測量了從爆炸中噴射出來的超高速物質噴流的運動，將這些數據與詳細的流體動力學模擬相結合來確定方向角，從而得到了利用引力波來測得的距離。

通過這種方法，他們最終測得的哈勃常數值為70.3km/s/Mpc（介於65.3和75.6km/s/Mpc之間）。這一數值基本上處於SH0ES和普朗克衛星估計值之間，只不過它具有更大的不確定性。

4.

有一些天文學家猜測，這種差異可能就是由人為錯誤導致的。例如斯坦福大學的一名物理學博士後Arka Banerjee就認為，系統誤差有可能被低估了。Banerjee從事的是中微子研究的，因此擁有更精確的哈勃常數對他來說至關重要。

中微子是一類質量小到可以忽略不計的粒子，而測量它們的質量又是中微子物理學中一個懸而未決的主要問題。哈勃常數可以用來限制這一質量，並且可以幫助科學家確定是否存在一種他們尚未發現的隱藏中微子。Banerjee說，系統誤差是在測量哈勃常數時所面臨的一個很大的挑戰。而目前看來，統計誤差最小的兩個團隊，正是測量結果不一致的普朗克衛星和SH0ES。

究竟誰才是對的還有待觀察。或許，我們可以翹首企盼的是當西蒙斯天文台、H0LiCOW、LIGO和其他這類研究合作組也能達到更高的精度水平時，能否一舉解決哈勃常數的問題。或許那一天不會太遠。里斯說：「我不認為最後的結果是我們發現，『原來物理學裡的一切都錯了！』這是整個宇宙歷史的9%的差異。需要說明的是，我認為我們對事物的基本理解是正確的，只是存在一些問題而已。」

參考鏈接：

[1]https://www.symmetrymagazine.org/article/the-9-percent-difference

[2]https://www.nature.com/articles/s41550-019-0820-1

[3]https://www.princeton.edu/news/2019/07/09/princeton-astrophysicists-are-closing-hubble-constant

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