哈勃数据显示宇宙膨胀速度比预期快9%_风闻

原创：牧夫天文

翻译： 陆寅枫

校译：陈艳玲 田程偲 汪荣鑫 华子乾 

编排：陶邦惠

原文链接：

http://www.astronomy.com/news/2019/04/hubble-hints-todays-universe-expands-faster-than-it-did-in-the-past

现在的宇宙膨胀速度比早期宇宙快9%，为此天文学家不得不重新考虑我们对宇宙的一些基本认识。

自从1998年以来，天文学家们一直面临着一个令人不解的问题：根据对早期宇宙（大爆炸发生后紧接着的那段时期）的研究，宇宙应该以一个恒定的速度膨胀着，但是当天文学家真正测量了现在宇宙后，却发现膨胀速度是增加的。

自从一个世纪以前，科学家们就已经知道宇宙在膨胀了。埃德温·哈勃等天文学家最先注意到他们测量的遥远的星系似乎在朝着远离地球的方向运动，并且距离越远，移动地越快。

哈勃望远镜测量了我们距大麦哲伦星系中的一些变星（框中显示）的距离。Credit: NASA, ESA, Riess (STScl/JHU), and Palomar Digitised Sky Surve

近几年来，天文学家们利用哈勃空间望远镜测量了当今宇宙的膨胀速度。他们惊讶地发现， 测量结果竟比欧洲空间局的普朗克卫星测量的早期宇宙膨胀速度快了9%左右。当时，天文学家估测这结果的不一致性有三千分之一的几率是误差导致的意外。但是，在最近的一项研究中，科学家更严谨地分析了哈勃的观测数据，结果让他们更相信当今的宇宙的确正在以比过去更快的速度膨胀着，并且他们将由误差导致不一致性的几率降低到了十万分之一。很明显，某些地方一定出现了问题，天文学家现在需要弄明白这是怎么一回事。

建立宇宙距离阶梯

(Cosmic Distance Ladder)

宇宙距离阶梯通过结合造父变星和超新星的方法来精确测量宇宙中的各种距离。Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScl)

众所周知，哈勃常数描述了星系退行速度与星系距离间的关系。测量一个星系或是一颗恒星的退行速度的方法其实非常直接，宇宙中任何一个正在远离地球的天体所发出的光都会发生宇宙学红移。红移量越大，则天体退行的速度也就越快。不过，测量一个星系或是一颗恒星的距离就要复杂得多了。

使用哈勃望远镜测量宇宙膨胀速度的科学家们遵循着一个由该领域的先驱们使用的方法：他们通过观测造父变星——变光光度与脉动周期有着非常强的直接关联性的恒星——来测量距离。造父变星的这种周光关系最早由哈佛大学的天文学家亨利埃塔·斯万·勒维特(Henrietta Swan Leavitt)于一百多年前发现。

因为越远的恒星看上去越暗，天文学家可以先通过光变周期推算出恒星的光度，再利用测量到的视亮度来计算它的距离。埃德温·哈勃便是利用这个方法第一次计算了哈勃常数。而在今天，诺贝尔奖得主亚当·里斯(Adam Riess)等天文学家正在利用哈勃望远镜做着一模一样的计算，只是大幅地提高了精度。亚当·里斯便是上文提到的那项近期研究的首席研究员。他领导着一个名叫SH0ES（Supernovae H0 for the Equation of State,计算超新星状态方程的哈勃常数）的团队，致力于以史无前例的精度测量哈勃常数。

造父变星只是宇宙距离阶梯的第一级台阶。通过精确测量造父变星的距离我们能知道他们所在的那些星系（我们银河系的邻近星系）距我们的距离。而测量这些星系中Ia型超新星的亮度我们便能得知那些同样有着Ia型超新星但更远的星系的距离。就这样一步步地，我们能创建测量宇宙中各种尺度的方法。不过值得注意的是，在第一步测量中出现的任何误差都将传递到之后的步骤中。

宇宙距离阶梯(Cosmic Distance Ladder)

Credit: HubbleESA(YouTube)

重新测量

里斯和他的SH0ES团队结合哈勃望远镜的观测数据和地基望远镜的数据[1]，将大麦哲伦星系中的造父变星的距离测量误差从2.5%降低至1.3%。他们发现以前通过银河系附近的天体测量的哈勃常数非常准确，这令里斯的团队非常吃惊，因为这证明了与普朗克卫星的测量结果间的不一致性是确确实实存在的。

普朗克卫星专门测量早期宇宙中的各种基本常数，绘制宇宙微波背景辐射分布图，并且计算暗能量，暗物质，和普通物质间的比率。Credits: ESA/NASA/JPL-Caltech

里斯团队的测量结果并不孤立，许多有关当今宇宙的测量都为其提供了很好的支持。但是同样地，普朗克卫星的测量结果也与其他许多有关大爆炸后几十万年内的早期宇宙的测量相一致。双方似乎都没有让步的可能。

“这不仅仅是两项实验间的不一致”，里斯在一个媒体发布会上说，“**我们测量的东西可以说是从根本上不同的。**我的团队测量的是当今宇宙膨胀的速度，这是一个观测结果。而普朗克卫星则是通过对早期宇宙的测量计算出膨胀速度的理论值。如果理论值与观测值不一样，那非常可能是我们连接早期宇宙与当今宇宙的模型出了问题。”

调解差异

如何使这两个测量结果相吻合的方法目前还不得而知。我们甚至不知道它们到底该不该吻合。确实，**根据现在的结果来看，早期宇宙的膨胀行为非常有可能与现在并不相同。**如果这是真的的话，什么因素会导致膨胀行为的改变呢？

暗能量，尽管我们对它的了解现在还不是很深，通常被认为是导致宇宙膨胀的原因，从大爆炸到今天一直如此。尽管暗能量是标准宇宙模型中的一部分，它的作用效果可能并不如我们所认为的那样，很有可能在大爆炸后的某个时期它加速了宇宙的膨胀。里斯认为，中微子这种以接近光速运动但几乎不与普通物质反应的粒子或许是关键所在。他称中微子这样的粒子为**“暗辐射”**。

无论怎样，里斯认为我们很有可能得接受这两个膨胀速度并不一样的事实。而天文学家现在必须努力找到一个更好的宇宙模型，一个可以解释这个不一致性的模型。

宇宙学红移与多普勒效应的区别

尽管宇宙学红移和多普勒效应十分类似，但是二者之间有本质区别。多普勒效应是物体和观测者之间的相对运动导致的，而宇宙学红移则是由于宇宙膨胀导致的，并非真实的运动。也正因如此，天文上的多普勒效应是各向异性，而宇宙学红移则是各向同性的。

『天文时刻』 牧夫出品

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N11：大麦哲伦星系内的星云

NASA, ESA; Acknowledgement: Josh Lake