宇宙正在膨脹，這在科學界已經是一個不爭的事實，而最新的研究結果表明，宇宙膨脹的速度比我們預想的要快。
近日，來自哈勃空間望遠鏡的最新數據顯示，宇宙膨脹速率—哈勃常數的值比公認的要大9%。這次結果還近一步確認了差異的來源：屬於測量誤差的概率是30萬分之一。這意味著，宇宙的星系的確在以更快的速度相互遠離，我們的宇宙也比預想的要年輕。
這項研究由約翰·霍普金斯大學空間望遠鏡科學學院的 Adam Riess 教授領導。他所在的國際天文學小組 SH0ES 通過哈勃望遠鏡測量了大麥哲倫星雲一共70顆造父變星（Cepheid Variables）的周光規律，然後利用宇宙距離階梯實現對遙遠星系的距離的測量。
他們得到最新的哈勃常數值是：73.45 ± 1.66[km/s/Mpc]。Mpc亦即百萬秒差距，是天文測量中常用的距離部門，1Mpc大約為三百三十萬光年。這表示相距330萬光年的兩個星體，在以大約每秒73公里的速度，彼此遠離。這一速度是地球圍繞太陽公轉速度的兩倍多。
目前學術界普遍公認和採用的數值，來自於對宇宙微波背景異塵餘生——即130億年前的早期宇宙——的測量。2015年，歐洲空間局發射的普朗克探測衛星測量了宇宙微波背景異塵餘生，得到的哈勃常數為 67.74 ± 0.46 [km/s/Mpc] 。新結果比公認的數值要大9%！
Riess 教授在宇宙膨脹方面作出了卓越的貢獻，他在1998年的研究結果驗證了宇宙正在膨脹的事實，並因此獲得了2011年諾貝爾物理學獎。從2005年開始，他領導的 SH0ES 團隊一直致力於改進哈勃常數的精確度。
與前不久黑洞照片發布相比，這次結果雖然沒有引起大眾的廣泛注意，但也在科學界掀起了波瀾。“這不是兩個實驗得到了不同的結果”，Riess解釋到，“我們測量的是本質上不同的東西，我們團隊觀測宇宙今天如何膨脹，而公認的值是從對早期宇宙的觀測推演而來。這兩種測量方法本身沒有問題，如果得到的結果不匹配，很有可能是連接早期宇宙和現在的宇宙的模型出現了問題。”
用造父變星搭建宇宙天梯
計算哈勃常數需要兩個信息：星系與我們之間的距離，和星系遠離的速度。速度可以通過光譜紅移得出，不存在爭議。對於距離為一億光年尺度上的星系，宇宙距離階梯（cosmic distance ladder）是目前唯一一個有效的測量距離的方法。
所謂宇宙距離階梯，是由一系列對不同類別的星體距離的測量組成的。其中最可靠，也被用得最廣的星體是造父變星。它們是變星的一種，它們的亮度以幾天至數個月的周期非常有規律地脈動。
造父變星有著一個普遍的規律：亮度越大，其變化周期也就越大，天文學家通過這個特性可以測量出造父變星的絕對星等（星體的絕對亮度）。而絕對星等相同的恆星在距離越遠時看起來就越暗，即視星等越小。通過測量一個恆星的視星等（觀測亮度），就能得到造父變星的距離。造父變星存在於銀河系中，也存在於河外星系中，過去的一百年中，它們一直是建立銀河系和河外星系距離標尺的可靠且重要的標準燭光。
在這項研究中，Riess 團隊共觀察了大麥哲倫星雲70顆造父變星，他們得到了這些變星的精確的距離信息。此外，宇宙中還存在著另一個標準燭光，那就是 Ia 型超新星，它們比造父變星更遠也更明亮。天文學家用造父變星的距離去較正 Ia 超新星的距離，然後再用後者的距離校正更遠星體的距離，就像爬梯子一樣，一步步向外擴張到最邊緣的宇宙。用這種方法，天文學家得以精確測量10億光年遠的星體與我們之間的距離。
宇宙學的危機：無法統一的哈勃常數
哈勃常數給我們帶來了迄今為止最重要的宇宙信息：宇宙膨脹的速度。然而，自它誕生的第一天起，它的取值就一直是天文學中最具爭議的主題。
1929年，哈勃在提交給《美國科學院院報》的論文中，畫了一幅著名的圖。哈勃在圖中用簡單的線性關係描繪出了星系距離與速度之間的關係：距離我們越遠的星系，遠離我們的速度就越快，直線的斜率就是哈勃常數的值。
然而最初的哈勃常數是十分不精確的，細心的讀者會發現，這幅圖中哈勃常數為500 [km/s/Mpc] ，與我們現在更為精確的測量結果（大約70[km/s/Mpc]）相去甚遠。
在接下來的半個世紀討論和爭辯中，哈勃常數的值被降到了100以下，但是它的具體取值依然是一個迷，根本原因是我們對於河外星體的距離測量始終存在較大誤差，不能有效地降低。
所以，哈勃常數的測量史也是一部宇宙測距的發展史。
在測量比較近的星體的距離時，三角視差法就可以勝任。你用手遮住一隻眼睛看一個物體，然後把手移開，蓋住另一隻眼睛觀察，發現物體的位置移動了。通過瞳距和物體移動的程度可以計算出物體的距離。同理，如果把眼睛換成地球，在地球公轉軌道的兩端觀察同一顆星體，星體成像也會產生偏差。不過，受限於天文望遠鏡的角分辨率，這種方法隻對銀河系內的恆星有效，出了銀河系就束手無策了。
對於更遠的星系，天文學家借助於一種叫作標準燭光的方法。簡單來說，你看到一個物體的亮度和它與你的距離是平方反比的關係。而造父變星是標準燭光的最佳候選者，因為從其特有的周光關係可以測得它的絕對亮度，然後再通過觀察到的亮度較準確地算出距離。更重要的是，造父變星在銀河系之內和河外星系廣泛存在，它與近距離和遠距離的恆星重疊，可以被用作絕佳的距離校準工具。通過造父變星可以得到1億光年以內的恆星的距離。
當我們的目標是100億光年的星辰大海時，造父變星又顯得相形見絀。這時我們要用到宇宙中的另一種標準燭光：Ia 型超新星。Ia 型超新星存在於最遙遠的星系中，它和造父變星一樣，也可以通過某種途徑得知絕對亮度。
至此，科學家們就構建成了通向宇宙深處的階梯：用三角測距法測量銀河系內恆星的距離，並據此校準銀河系內造父變星的距離；然後找到同時擁有造父變星和 Ia 型超新星的河外星系，通過前者校準後者的距離；最後把目光轉向宇宙最深處，測量包含 Ia 型超新星的星系的距離。通過宇宙距離階梯，天文學家得以測量宇宙最邊緣的星系。
SH0ES 從2005年開始就用這個方法測量哈勃常數。在最開始，他們的結果和通過宇宙微波背景異塵餘生得到的結果在誤差範圍內重合。但是這個皆大歡喜的情形並沒有持續多久，隨著時間的推移，兩種方法的測量精度均不斷提升。終於在2013年，精度提升後的微波各向異性探測器所探測到的微波背景異塵餘生結果，與 SH0ES 的結果出現了統計學上無法解釋的分歧。過去的6年，兩小組都進行了不同程序的觀測，然而它們的結果卻絲毫沒有靠近的傾向，反而越走越遠。
新玩家入場
宇宙微波背景異塵餘生法觀察的是早期的宇宙，通過宇宙的演化理論來預測現今的宇宙，而SH0ES 所用的宇宙距離階梯則是對現今宇宙進行直接的觀察。這兩種觀測方法都經過了嚴格的驗證，本身並不存在問題。
那麽就只有一種可能了：我們對宇宙演化的認識出現了問題。就好比在一個人小時候測量他的身高，然後通過一套身體發育的理論預測他長大後的身高，但是十年後再來看，卻發現小孩已經長成了巨人。
天文學家們已經開始討論修改理論的可能性，有人認為還需要一種有待發現的粒子，而另一些人則試圖用暗物質和暗能量解釋更快的膨脹速度。而在實驗觀測方面，天文學家也試圖找到一種精度更高的方法，對哈勃常數進行第三方獨立測量。在眾多備選方案中，其中有一個很有前景：利用引力波來測量。
該方案最成功的案例來自於前不久雙中子星合並事例 GW170817 ， 通過引力波的波形可以估算出波源與我們之間的距離，通過波源星系的光度和光譜的紅移量可以測得速度信息，從而可以得到哈勃常數的值。但是目前這個方法的測量精度只有10%，遠遠無法達到要求。
不過，它有一個其它方法無法企及的優勢：完全獨立於電磁波的另一種媒介。隨著引力波設備探測精度的提高，和中子星甚至黑洞合並事件的積累，結果一定會更加精確。
我們已經來到了一個關鍵節點，如果能將哈勃常數的值確定在1%之內，這對人類了解宇宙演化具有十分重要的意義。
作者：梁柱，責編：黃珊
-End-
參考資料：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/mystery-of-the-universe-s-expansion-rate-widens-with-new-hubble-data
https://mailtribune.com/news/top-stories/new-study-says-universe-expanding-faster-and-is-younger
https://zhuanlan.zhihu.com/p/34162226
https://bokeyuan.kuaizhan.com/46/64/p561444093f702b
https://news.uchicago.edu/story/how-use-gravitational-waves-measure-expansion-universe
Hubble, Edwin (1929) PNAS. 15 (3): 168–173.
“哈勃常數——世紀之謎”， 胡彬(北京師范大學天文系)
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