哈勃最新数据让宇宙膨胀速率之谜更扑朔迷离

地面望远镜所拍摄的大麦哲伦星云是我们银河系的一个卫星星系。这张由哈勃太空望远镜拍摄的插图图像显示了散布在该矮星系中的众多星系团之一。

据美国“物理学网”4月25日消息称，天文学家在《天体物理学杂志》近日刊发的一篇研究论文中表示，他们在解读两种测量宇宙膨胀速率的关键技术时，在结果差异上取得了一个重要突破。

利用欧洲航天局（ESA）的普朗克卫星观测数据，研究人员得出了130多亿年前宇宙是如何形成的假设推论，而哈勃的测量结果表明，现代宇宙的膨胀速度比预期要快。在过去几年中，不少研究论文中都提到对于这两个数值差异的识别和发现，但是我们目前还不清楚这究竟是由测量技术造成的，还是由于偶然测量不准确所引起的。最新的哈勃观测数据将这种差异出现的偶然性降低为十万分之一，而不到一年前，其估值是三千分之一，这是一个重大的进步。

该研究第一作者、美国太空望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute，简称STScI）和美国约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University，简称JHU）的研究员、诺贝尔奖得主Adam Ries介绍道：“哈勃望远镜在宇宙早期和晚期观测数据之间的差异可能是几十年来宇宙学中来最令人兴奋的进展。这种不匹配数值间的差距一直在扩大，现在已经达到了一种确实不可能仅仅将其视作为意外而忽视的程度。这种差异不可能只是偶然发生的。”

这张示意图展示了天文学家计算宇宙随时间推移而发生膨胀速率的三个基本步骤，该速率值被称为“哈勃常数”。

具体说来，科学家使用的是一种名为“宇宙距离阶梯”（cosmic distance ladder）的工具。这种方法依赖于精确测量地球到邻近星系的距离，然后再将目标移动到越来越远的星系上，并将其中的恒星作为里程标志。天文学家利用这些数值以及其他测量星系光波——其波长在穿过一个不断伸展的宇宙时会被拉长（变红）——的方法来计算宇宙的膨胀速率，这个速率值就被称为“哈勃常数”（Hubble constant）。自2005年以来，Riess的团队一直在探索用哈勃望远镜的观测数据来改善这些测得距离的精确性，从而微调哈勃常数。

在这项最新研究中，天文学家们使用哈勃望远镜观察了大麦哲伦星云（Large Magellanic Cloud）中70颗被称为“造父变星”（Cepheid variables）的脉动恒星。这些观测结果帮助天文学家“重建”了距离阶梯，改善了那些造父变星和其宿主超新星星系中同类天体之间的比较结果。Riess的研究小组将哈勃常数的不确定性从先前估算的2.2%降低到了1.9%。

随着研究小组的测量结果变得越来越精确，他们对哈勃常数的计算值仍然与对早期宇宙膨胀的观测所得结果的期望值不相一致，后者是通过普朗克卫星绘制宇宙微波背景（CMB）——宇宙大爆炸38万年后遗留下来的余辉——辐射图而估算的。这两个测量值都被以多种方式进行了彻底的测试和检查，因此天文学家目前无法将这两个结果之间的差距看作是来源于任何单个测量值或方法上的误差。

Riess解释道：“这不仅仅是两个实验结果的不一致，而是我们正在衡量两种从根本上不同的东西：一种是对我们今天所看到的宇宙膨胀速率的测量值，而另一种是基于早期宇宙物理效应和宇宙应该有的膨胀速率测量结果的预测值。如果这两个数值不一致，那就意味着我们很有可能在连接这两个时代的宇宙学模型时遗漏了一些东西。”

对于这种不匹配，第一种理论解释是，在年轻的宇宙中曾意想不到地出现过暗能量——科学家推测暗能量目前占宇宙物质总量的70%。这个由JHU的天文学家所提出的理论被称为“早期暗能量”（early dark energy）——它假设宇宙的演化过程就好像一出三幕剧——该理论假设，大爆炸后最初几秒钟就有暗能量存在，它们会将物质推向整个太空，从而启动宇宙最初的膨胀过程。另外，暗能量可能也是今天宇宙加速膨胀的原因。最新理论提出，在宇宙大爆炸后不久就出现了第三次暗能量事件，并让之后宇宙膨胀的速度超过了天文学家的预测结果。Riess指出，这种“早期暗能量”的存在或许可以解释这两个哈勃常数之间的矛盾与对立。第二种解释观点是，宇宙中含有一种新的亚原子粒子，这种运动速度接近于光速的高速粒子被统称为“暗辐射”（dark radiation），其中包括人类已知的中微子——在核反应和放射性衰变过程中产生的粒子。第三种诱人的可能性是，暗物质——一种既不是质子又不是中子或电子组成的不可见的物质形式——与正常物质或辐射之间的相互作用比之前假设的更加强烈。

不过，对于这一问题，真正的解释目前仍然是个谜。Riess的团队将继续利用哈勃的观测数据来降低哈勃常数的不确定性，目标是将不确定性降低到1%，而这一水平将有助于天文学家找出造成这种差异的原因。

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编译：朱明逸 

审稿：三水  

责编：唐林芳 

期刊来源： 《天体物理学杂志》

期刊编号： 0004-637X

原文链接： https://phys.org/news/2019-04-hubble-universe-faster.html

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