宇宙学标准理论有问题？新的哈勃常数把宇宙学家们整困惑了

编译 | 小羽

美国伊利诺伊州芝加哥大学的天文学家Wendy Freedman领导的团队以一种独立的观测手段测量了哈勃常数的数值，这个最新的分析结果已于2019年7月16日对外公布，并且即将发表在《天体物理学报》（Astrophysical Journal）上^[1]。

Freedman的团队展示了一种利用红巨星来测量宇宙膨胀的技术。这种技术有望取代天文学家们已经使用了一个多世纪的方法。但是，目前它所测量出的宇宙膨胀速率落在了两个争议值的中间，无法解决之前两种测量手段获得的不同结果所引起的争端。

“宇宙在这事儿上是在消遣我们吗？”一名天体物理学家就此文章发了这样一条推特。

Freedman接受《自然》杂志采访时说：“我们现在正在试图搞清楚这些到底该怎么整合起来。”如果无法解决宇宙膨胀速率的测量分歧，那么宇宙学家们用以解读数据的某些基础理论——诸如对暗物质本质的假设等——或许是错误的。“基本物理仍悬而未决。”Freedman说。

20世纪20年代，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）等人发现宇宙膨胀。他们的依据是大多数星系都在远离银河系运动——越远的星系退行速度越快。速率和距离的比率大致不变，被称为哈勃常数，通常记为H0。哈勃那时发现，距离每多一兆秒差距（Mpc，大约3.26兆光年），星系的退行速率就会增加500千米/秒，所以用“千米每秒每兆秒差距（km/s/ Mpc）”这个单位时，哈勃常数就是500。

过去几十年来，测量方法逐渐改进，天文学家大幅下调了哈勃常数的估计值。Freedman于上世纪90年代率先使用哈勃空间望远镜（以拟合方式）测量了哈勃常数，计算得到了大约72这一数字，误差幅度是正负10%。最近，美国马里兰州的约翰·霍普金斯大学的物理诺贝尔奖得主Adam Riess带领的团队测定了至今为止最精确的测量值74，误差仅有正负1.91%。^[2]

使用“标准烛光”方法计算哈勃常数是通过建造“宇宙距离阶梯”来确定宇宙中的星系与我们之间的距离，这里涉及三个步骤：（1）寻找宇宙中的“标准烛光”（造父变星）来精确测量我们到邻近星系的距离；（2）以这些邻近星系的恒星作为里程标记来测量包含Ia型超新星的更遥远星系的距离；（3）利用测得的我们到星系之间的距离，以及这些星系发出的光谱线到达地球所产生的红移，来计算测定宇宙膨胀速率。| 图片来源：NASA/HUBBLESITE

但是过去十年里的另一项独立研究从中搅局。欧洲空间局“普朗克”空间计划的科学家们测绘出了大爆炸的遗留辐射图，即所谓的宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background, CMB），并用它来计算宇宙的基本性质。依据关于宇宙的标准理论假设，他们计算出的哈勃常数值为67.8。

欧空局的普朗克（Planck）空间卫星通过精准观测宇宙早期微波背景辐射，并基于早期宇宙学理论模型和测量早期宇宙应该以多快速率膨胀来预测哈勃常数的数值。| 图片来源：ESA

67.8和74之间的差距看似小，但是由于两种观测方法均已经有所改进，这就逐渐产生了统计上有意义的差异。因此，理论学家已经开始怀疑，上述差异的原因是不是来自宇宙学的标准理论——ΛCDM有什么问题。

Adam Riess解释说：“这不仅仅是两个具有不同结果的观测实验。我们正在测量一些完全不同的东西。哈勃空间望远镜的观测实验是在测量当前宇宙的膨胀速率，而普朗克空间卫星的观测实验是基于早期宇宙学理论模型和测量早期宇宙应该以多快速率膨胀而做出的预测。这两个哈勃常数值之间的不一样不是巧合，所以我们非常有可能遗漏了连接两个时代的宇宙学模型中的某些东西。”

这个被称为ΛCDM（即冷暗物质（Cold Dark Matter）加上宇宙学常数Λ的宇宙学标准理论）模型假设宇宙中存在隐形的冷的暗物质粒子，以及被称之为暗能量的神秘排斥力（以宇宙学常数Λ来代表其效应）。但宇宙学家们一直绞尽脑汁寻找调整办法来略微修正这个理论模型，使之能在和关于宇宙的其它一切观察保持一致的前提下，解决这个问题。“从ΛCDM宇宙学标准模型里寻找可能的线索很困难，就像是没有那种松散的线头，你一拽就能解开整个谜团。”芝加哥大学的宇宙学家Rocky Kolb说。

现在，Freedman的测量方法更新了常用的哈勃测量法中的一个关键要素，最终得到了落在67.8和74中间69.8这个值。

测量哈勃常数最大的难点在于可靠地测量各个星系到我们的距离。哈勃最初的估算法基于对较近星系的距离所做的测量。为此，他观察了一类被称为“造父变星”的明亮恒星。天文学家勒维特（Henrietta Swan Leavitt）于20世纪初叶发现，这些恒星实际的亮度是可以预测的。因此，通过测量它们在照相版上显示出的亮度，她就可以计算出恒星有多远。天文学家把这种标志性星体称为“标准烛光”。

然而自此之后，天文学家一直在尝试寻找比造父变星更好的标准烛光，因为造父变星倾向存在于拥挤、充满尘埃的区域，这会导致对它们亮度的估算产生误差。“唯一彻底的解决方案是发展一种独立的测量法。至今为止我们还从未检验过造父变星，”Freedman说。她职业生涯中的大部分时间都用来改进造父变星测量的准确和精密程度了。“她知道所有的东西都埋在什么地方。”Kolb说。

Freedman和她的同事们完全绕过了造父变星，而选择了红巨星——已经膨胀的老年恒星——作为标准烛光，同时选择超新星爆发作为更远星系的指示标识。

红巨星比造父变星要常见得多，很容易在星系的边缘区域找到。在这些区域，恒星之间充分疏离，也没有尘埃的问题。红巨星的亮度变化很大，但是当我们考虑整个星系的全部红巨星族群时，就有了一个很好用的特征。红巨星的亮度在数百万年的时间里逐渐增加，直到达到最亮的那一刻，然后会突然变暗。如果天文学家把一大群星体的颜色和亮度画到图上，红巨星会显示成一片点云，有着明确的边界。在那边界上的星体就可以作为标准烛光。

Freedman团队使用这个方法计算了18个星系和我们之间的距离，对哈勃常数的估算首次达到了可以和基于造父变星的研究相媲美的精确度。

图中是Freedman团队挑选用来计算宇宙膨胀速率的星系。他们在星系晕中寻找红巨星，中间一行图片是第一行的放大，底下一行是进一步放大，其中的黄色圆圈表示红巨星。| 图片来源：NASA, ESA, W. Freedman (University of Chicago), ESO, and the Digitized Sky Survey

Riess说，红巨星研究仍然需要对星系中的尘埃含量做一定的假设，特别是这次研究用作一个基准锚点的大麦哲伦星云。“估算尘埃含量非常棘手。”Riess表示，对于作者们（Freedman团队成员）的研究方法为什么会推导出哈勃常数的一个较低的估计值，必然会有很多讨论。

Freedman团队的研究结果和“普朗克”观测数据的预测以及Riess的造父变星计算结果在统计上是相容的，也就是说，与这两个实验各自计算的误差范围是有所重叠的，而随着红巨星数据逐渐积累增加，这个新方法的准确度也会相应提高。在不久的将来很快就可能会胜过造父变星方法，Kolb说。

尽管红巨星法的测量值可能会向其他两种测量方法的结果之一偏移，或者保持不变，且其他两种测量方法的结果向它收敛，但就目前而言，宇宙学家们还有很多谜团要破解。

到底要如何解释宇宙膨胀速率的这些差异呢？

一种被称为“早期暗能量”理论观点认为，在早期宇宙中出现了一种意想不到的暗能量，这种暗能量如今已经占据了宇宙70%的容量。这个理论如果是事实，将表明宇宙的演化就像是由普通物质、暗物质和暗能量三者共同作用的最简单的戏剧。

天文学家们假设暗能量存在于大爆炸后的最初几秒，并将所有物质推送到整个空间，然后宇宙开始初始膨胀。暗能量也可能导致了当前的宇宙膨胀速率，这个理论表明，在大爆炸之后不久，存在着又一次暗能量爆发，这使得宇宙比天文学家预测的膨胀得更加快速。

另一种观点则认为，宇宙中可能包含一种新的亚原子粒子，这些粒子以接近光速的速度运动，被统称为“暗辐射”，包括先前已知的中微子等粒子，它们来源于核反应和放射性衰变。

第三种可能的解释是，暗物质与普通物质或辐射的相互作用比先前假设的更强。

Freedman表示：“哈勃常数是确定宇宙的绝对尺度、大小和年龄的关键参数，是我们量化宇宙如何演化的最直接方式之一。之前观测中已经发现的分歧并没有消失，但是这项新证据表明，对于是否有一个令人信服的理由让我们确信现在的宇宙学模型里存在某种根本性的缺陷，目前尚不得而知。”