NASA最新研究：宇宙膨脹速度比之前預測快9％

出品：科普中國

製作：張澤濤（北京航空航天大學）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

自從人類誕生以來，人們就對頭頂的天穹充滿了好奇心。在古代，人們通過肉眼觀察天空。西方的上帝創世，東方的盤古開天，這些富含人類智慧的古代神話都反映出了人類對於宇宙根源及其演變的探究熱情。隨著科學技術的發展，當今科學家們則利用衛星、雷射、大型天文望遠鏡和超級計算機來對宇宙進行觀察與研究，層出不窮的新發現，不斷刷新著我們對宇宙的理解。

美國國家航空航天局（NASA）官網近日公布了一項來自哈勃太空望遠鏡的最新研究成果。文章稱：哈勃發現宇宙的膨脹速度比之前預測的還要快9%，且這種差異是偶然性的概率從三千分之一降低到了十萬分之一。

有人可能會問，人類到底是如何發現宇宙在加速膨脹？最新的研究結果又是如何解釋的？想要回答這一系列問題，我們還得從宇宙大爆炸理論說起。

宇宙大爆炸理論

20世紀以來，美國科學家伽莫夫（George Gamow）提出的大爆炸理論解釋了宇宙的誕生，即宇宙是由一個致密熾熱的奇點於137億年前一次大爆炸後膨脹形成的。而後美國著名天文學家哈勃（Edwin Powell Hubble）觀測到“所有星系都在彼此互相遠離”這個現象，並提出了宇宙正在膨脹的假說。最近，天文學家們又有了新發現——宇宙不只在膨脹，還在加速膨脹。

1998年，美國科學家亞當裡斯（Adam G Riess）和索爾珀爾馬特（Saul Perlmutter）通過哈勃望遠鏡對超新星爆發光譜進行觀測，各自獨立地發現了“當前宇宙在加速膨脹”這個現象。該結論一經發表，便引起了物理學界的重大反響。接下來幾年裡，這一事實分別被其他不同的天文觀測實驗證實，例如測量宇宙微波背景異塵餘生的美國WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）衛星實驗和測量宇宙大尺度結構的美國光譜巡天實驗等。

宇宙加速膨脹速率是否可測

在證實了宇宙加速膨脹這一事實之後，人們便開始對宇宙膨脹速率進行測量。歐洲航天局的普朗克衛星，美國航天局的哈勃太空望遠鏡，這兩個集聚人類頂尖科技的觀察裝置，成為了人們手中測量宇宙膨脹速率的“神兵利器”。

宇宙膨脹速率，又被稱為哈勃常數，通常用H表示。計算宇宙膨脹速率需要三個步驟。首先利用“宇宙距離階梯”來確定宇宙中星系與星系之間的距離。這種方法依賴於精確測量到鄰近星系的距離，然後將它們的恆星作為裡程標記，再通過這個標記來測量更遠距離的星系。最後天文學家利用這些測得的星系之間的距離，以及星系發出光線到達地球所產生的紅移，來計算宇宙膨脹速率。亞當裡斯和他的團隊自2005年以來一直在研究利用哈勃太空望遠鏡改進這種距離測量方法，提升哈勃常數測量的精確度。

衡量星系之間距離的“量天神尺”：造父變星

一個多世紀以來，天文學家一直使用造父變星作為宇宙標尺來測量附近的星系之間的距離。這是一種比較神奇的恆星，它的亮度會隨時間呈周期性的變化，通過精確測量造父變星亮度隨時間變化的周期關係，就可以確定星系之間的距離。但是如果想要測量距離我們非常遠的星系的距離，就需要采集一系列造父變星的精確定位，這種行為耗時之多以至於幾乎無法實現。因此，亞當裡斯團隊採用了一種聰明的新方法，稱為DASH（漂移和偏移），即利用哈勃望遠鏡作為照相機來快速拍攝極其明亮的造父恆星的圖像，這就消除了對精確定位的耗時需求。

“當哈勃太空望遠鏡鎖定某個造父變星來精確定位時，它只能在每繞地球軌道一圈時觀測一次，而它繞地球一圈需要90分鐘。因此，哈勃太空望遠鏡觀察每一個造父變星都是非常耗時的。”亞當裡斯小組的成員斯特凡諾·凱瑟塔諾解釋道：“相反，如果我們尋找彼此之間距離足夠近的造父變星群進行觀測，我們就可以在它們之間移動，而無需重新校準望遠鏡指向。同時，如果這些造父變星非常明亮，那我們只需要觀察很短的時間。通過控制陀螺儀來穩定哈勃望遠鏡的指向，我們便能夠在一個軌道上觀察到十幾個造父變星。”

這些測量幫助亞當裡斯團隊更加精確了造父變星的真實亮度。有了這個更精確的結果，研究小組就可以“擰緊”延伸到太空深處的宇宙距離階梯的其余部分的“螺栓”，讓這把宇宙“標尺”的精度更上一層樓。

在隨後的十幾年裡，亞當裡斯團隊利用哈勃望遠鏡在大麥哲倫星雲中觀測了70顆造父變星。通過將大麥哲倫星雲中的造父變星和在超新星系中的類似恆星作對比，他們重新修正了宇宙距離階梯。從而將哈勃常數的不確定度從先前的2.2%降低到了1.9%。

宇宙加速膨脹的程度超出預期

2009年，美國航空航天局NASA公布哈勃常數的最新估計值是每秒每百萬秒差距74千米（46英裡）。這意味著，由於宇宙的膨脹，星系和我們地球之間的距離每增加300萬光年，星系遠離地球的速度增加74千米每秒。這個數字表明，宇宙的膨脹速度比預測的67千米（41.6英裡）每秒每百萬秒差距的速度快9%。

隨著測量結果精確度的不斷提高，亞當裡斯團隊發現，利用哈勃太空望遠鏡所的數據計算得到的哈勃常數，仍與普朗克衛星通過觀測宇宙早期微波背景異塵餘生得出的預期值不一致。普朗克衛星通過對宇宙進行全景“掃描”，發現了宇宙只有38萬歲時的微波背景異塵餘生，展示了在宇宙早期，密度略微不同導致的溫度的細微起伏，天文學家據此對哈勃常數做出了預測。團隊經過檢查之後發現，雖然哈勃太空望遠鏡和普朗克衛星的測量結果不一致，但這兩項“神兵利器”的測量結果本身都沒有任何問題。

“這不僅僅是兩個結果不同的實驗，”亞當裡斯對此解釋說：“我們正在測量一些根本不同的東西。哈勃太空望遠鏡實驗是測量今天宇宙膨脹的速率，而普朗克衛星實驗是基於早期宇宙理論和測量早期宇宙應該以多快速度膨脹的預測。這兩個值之間的不一致不是巧合，所以我們很有可能遺漏了連接兩個時代的宇宙學模型中的某些東西。”

宇宙背景探測衛星（COBE）, 威爾金森微波各向異性探測器衛星(WMAP)和普朗克衛星取得的宇宙微波背景異塵餘生分辨率比較（圖片來源：NASA）

讓宇宙這個“麵團”加速膨脹的“酵母”究竟是什麽？

作一個形象的比喻：宇宙每分每秒都在變大，星系之間的距離正在拉長，就像麵團一樣在烤箱裡不斷膨脹。根據愛因斯坦的廣義相對論，宇宙這個包含了重子、暗物質、光子、中微子等物質的麵團只會減速膨脹。但是隨後，人們經過測量發現麵團好像多放了酵母一樣，膨脹的速率比預想的要快。

那麽宇宙中這個神秘的“酵母”到底是什麽呢？一個觀點是由約翰霍普金斯大學的天文學家提出的“早期暗能量”理論。該理論認為，在年輕的宇宙中出現了一種意想不到的暗能量，到現在為止，這種暗能量已經佔據了宇宙70%的容量。這個理論如果是事實，表明宇宙的演化就像一個最簡單的按部就班的戲劇。

天文學家們假設暗能量存在於大爆炸後的第一秒，大爆炸將所有物質推送到整個空間，然後開始初始膨脹。在大爆炸之後不久，暗能量也緊接著進行了好幾次的爆發，從而導致當今宇宙的加速膨脹。亞當裡斯表示，這種“早期暗能量”的存在可以解釋哈勃太空望遠鏡和普朗克衛星測量出的兩個哈勃常數之間的差異。

約翰霍普金斯大學的天文學家提出的另一種觀點是，這種“酵母”可能是宇宙中含有一種新的亞原子粒子，來源於核反應和放射性衰變，其速度接近光速。這種快速粒子統稱為“暗異塵餘生”，包括先前已知的中微子等粒子。這種新粒子的存在，導致哈勃太空望遠鏡和普朗克衛星測量出的兩個哈勃常數之間產生了差異。

此外，宇宙加速膨脹還有一個比較大的可能原因是暗物質（一種不由質子、中子和電子組成的不可見物質）與正常物質或異塵餘生的相互作用比先前假設的更強烈。

以上都還是未經證實的猜想，宇宙加速膨脹的真正原因仍然是個謎。這個令人煩惱的問題也令亞當裡斯束手無策，但是他的團隊將繼續使用哈勃太空望遠鏡進行實驗測量，進一步提高哈勃常數的精確度。如果哈勃常數的不確定度能夠降低到1%，將更有助於天文學家發現這個神秘“酵母”的真身。

參考文獻：

1.http://hubblesite.org/news_release/news/2019-25

2.https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/story/index.html