哈勃最新数据进一步确认宇宙在加速膨胀

十几年以来，两种测量宇宙膨胀速率的关键技术并没有得到一致的结论。通过使用NASA的哈勃太空望远镜，天文学家表示，他们在揭示这种不一致的途中已经越过了一个重要的门槛。最近的研究结果表明，可能需要新理论来解释塑造宇宙的力。

简要回顾：宇宙每时每刻都在膨胀。星系之间的空间正在延伸，就像烤箱里的面团一样。但宇宙的扩张速度有多快？当哈勃望远镜和其他望远镜试图回答这个问题时，它们的观测和科学家的预测出现了一个有趣的差异。

根据宇宙130亿年前的样子，哈勃测量值表明现代宇宙的膨胀率比预期更快。这些早期宇宙的测量数据来自欧洲航天局（ESA）的普朗克卫星（Planck satellite）。这种矛盾已在过去几年的科学论文中得到确认，但尚不清楚是否应该归因于测量技术的不同，或是由“偶然”的测量值引起的。

最新的哈勃数据降低了这种差异来自测量本身的可能性，仅为10万分之一。而不到一年前的估计是三千分之一。这些迄今为止最精确的哈勃测量值表示，可能需要新物理来解释这种差异。

“在早期和晚期宇宙之间的哈勃矛盾可能是几十年来宇宙学中最激动人心的进展，”诺贝尔奖得主、太空望远镜科学研究所（STScI）和约翰霍普金斯大学的首席研究员Adam Riess说， “这种差异一直在增长，现在已经到了一个不可能被视为侥幸的地步。这种不一致不可能偶然发生。”

拧紧“宇宙距离阶梯”上的螺栓

科学家使用“宇宙距离阶梯（cosmic distance ladder，或宇宙距离尺度）”来确定宇宙中天体的距离。这种方法取决于准确测量到附近星系的距离，然后使用它们的恒星作为里程碑标记，再到更远的星系。天文学家使用这些数值，以及星系光通过宇宙拉伸而变得“更红”（注：空间伸展使波长变长，称为宇宙学红移，cosmological redshift）的测量值，来计算宇宙随时间膨胀的速度，称为哈勃常数（Hubble constant）。Riess和他的SH0ES（Supernovae H0 for the Equation of State）团队自2005年以来一直致力于通过哈勃望远镜改进这些距离测量并微调哈勃常数。

在这项新研究中，天文学家使用哈勃望远镜观测了大麦哲伦星云（Large Magellanic Cloud）中70颗称为造父变星（Cepheid）的脉动星（pulsating stars）。通过比较这些造父变星、更远星系中的造父变星、以及更远更亮的Ia型超新星（Type Ia supernovae，当双星系统中的白矮星质量超过上限时出现）的测量结果，这些观测有助于天文学家“重建”距离尺度。Riess的团队从而将哈勃恒常数的不确定性从早先估算的2.2％降低到1.9％。

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这是一个地面望远镜拍摄的大麦哲伦星云，我们银河系的卫星星系（satellite galaxy）。插图是由哈勃太空望远镜拍摄，显示了散布在整个矮星系（dwarf galaxy）中的众多星团（star clusters）之一。星团成员包括一类特殊的脉动星，称为造父变星，它明暗交替的速率与其本征光度（intrinsic brightness，恒星的明亮程度，不考虑因星际尘埃或气体引起的距离或吸收的影响）直接相关。一旦天文学家确定了这个值，他们就可以通过测量来自这些恒星的光来计算它们到银河系的准确距离。当新的哈勃观测与大麦哲伦星云的独立距离测量技术（使用简单的三角测量法）相关联时，研究人员能够加强所谓“宇宙距离阶梯”的基础。这种“微调”显著提高了宇宙膨胀速度（即哈勃常数）的准确性。
Credits: NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU) and Palomar Digitized Sky Survey

随着团队的测量值变得更加精确，他们对哈勃常数的计算与早期宇宙膨胀观测得出的预期值仍然不一致。这些测量来自普朗克卫星，它绘制了宇宙微波背景（cosmic microwave background），宇宙大爆炸38万年后遗迹的余辉。

测量值已经过彻底的审查，因此天文学家无法忽视两个结果之间的差异，这不太可能归因于任何单个测量值或方法的错误。这两种结果都经过了多种测试。

“这不仅仅是两个有分歧的实验，”Riess解释道，“我们正在测量本质上不同的东西。一个是宇宙现今膨胀的速度，正如我们所看到的那样；另一个是基于对早期宇宙物理的预测，它应该以多快速度膨胀。如果这些测量值不一致，我们就很有可能在连接这两个时代的宇宙学模型中遗漏了一些东西。”

新研究是如何完成的

一个多世纪以来，天文学家一直使用造父变星作为宇宙尺度来测量附近星系间的距离。但是试图收集一堆这些星星是非常耗时的，几乎无法实现。因此，该团队采用了一种聪明的新方法，称为DASH（Drift And Shift，漂移并移位），使用哈勃作为“傻瓜”相机拍摄极其明亮的脉动星的快速图像，从而避免了耗时的精确定位。

上图显示了天文学家用来计算宇宙随时间膨胀的速度（哈勃常数）的三个基本步骤。所有步骤都涉及建立一个牢固的“宇宙距离阶梯”上。首先测量到附近星系的准确距离，然后再测量到更远的星系。这个“阶梯”是对不同类型的天文物体的一系列测量，研究人员可以通过它们的本征光度来计算距离。对于较短距离而言最可靠的是造父变星，这些恒星以可预测的速率脉动，该速率表示它们的本征光度。天文学家最近使用哈勃太空望远镜观测了附近大麦哲伦星云中的70个造父变星，以便对该星系进行最精确的距离测量。天文学家将附近造父变星的测量数据与远处星系的数据进行了比较，这些测量数据还包括另一个宇宙尺度，是称为Ia型超新星（Type Ia supernovae）的爆炸恒星，比造父变星更亮。天文学家将它们作为“里程碑标记”来衡量从地球到遥远星系的距离。这些标记中的每一个都建立在“阶梯”中前一步的基础上。通过使用不同类型的里程标记，“阶梯”可以在宇宙中达到非常大的距离。天文学家将这些距离值与整个星系光线的测量结果进行比较：由于空间的均匀扩展，这些光线随着距离逐渐红移（redshift）。然后天文学家可以计算出宇宙膨胀的速度：哈勃常数。
Credits: NASA, ESA and A. Feild (STScI)

“当哈勃通过锁定导星（guide stars）使用精确定位时，它在地球周围每90分钟一个的哈勃轨道上只能观测到一个造父变星。因此，观测每个造父变星是非常昂贵的，”来自STScI和约翰霍普金斯大学的团队成员Stefano Casertano解释说，“相反，我们搜寻了一组彼此足够接近的造父变星，使观测可以在它们之间移动，而无需重新校准望远镜指向。这些造父变星非常明亮，我们只需要观测两秒钟。这种技术让我们在一个轨道的持续时间内观测到数十个造父变星。所以，我们保持陀螺仪控制并且非常快速地‘DASHing’”。

之后，哈勃天文学家将他们的结果与南洋杉项目（Araucaria Project，由来自智利、美国、和欧洲的机构的天文学家合作完成）的另一组观测结果相结合。该小组通过凌日现象中光线的减少来对大麦哲伦星云进行距离测量。（在我们视线中，双星系统中一颗恒星从另一颗前面经过时，我们会观测到来自后面恒星的光线减少，这种现象称为凌日。）

综合测量结果帮助SH0ES团队改善了造父变星的真实亮度。通过更准确的结果，团队可以“拉紧”距离阶梯其余部分的螺栓。

哈勃常数的新估计是74公里每秒每百万秒差距（Megaparsec是距离单位，即一百万个秒差距，1秒差距，parsec，定义为某天体与1天文单位的对角为1角秒时的距离，即3.26光年或31兆公里；哈勃常数的量纲是1/时间，写作74km/s/Mpc）。这意味着，距离我们更远的星系，每隔330万光年，由于宇宙的扩张，它每秒多移动74公里。这个数字表明宇宙的扩张速度比67km/s/Mpc的预测速度快9％。预测速度来自于普朗克卫星对早期宇宙的观测，以及我们目前对宇宙的理解。

有什么能解释这种差异

对不一致的一种解释涉及在年轻宇宙中意外出现的暗能量（dark energy），科学家认为它现在占宇宙的70％。约翰霍普金斯大学的天文学家提出“早期暗能量（early dark energy）”理论，称宇宙演变像一场三幕剧。

天文学家假设，暗能量在大爆炸后的第一秒内就存在，并在整个太空中推动物质开始初始膨胀。暗能量也可能是宇宙今天加速膨胀的原因。新理论表明，大爆炸后不久发生了第三次暗能量事件，这使宇宙膨胀的速度超过了天文学家的预测。 Riess说，这种“早期暗能量”的存在可以解释两个哈勃常常数之间的矛盾。

另一个想法是，宇宙包含一种亚原子粒子（subatomic particle），速度接近光速。这种高速粒子统称为“暗辐射（dark radiation），”其中包括已知的粒子，比如在核反应（nuclear reaction）和放射性衰变（radioactive decay）中产生中微子（neutrinos）。

另一个引人注目的可能性是，暗物质（一种“不可见”的物质，不由质子、中子、和电子组成）与正常物质或辐射的相互作用比以前假设的更强烈。

但真正的原因仍然是一个谜。

Riess对这个棘手的问题没有答案，但他的团队将继续使用哈勃望远镜来减少哈勃常数的不确定性。他们的目标是将不确定性降低到1％，这应该有助于天文学家找出出现差异的原因。

该团队的成果将在《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal）上发表。

哈勃太空望远镜是NASA和ESA（欧洲航天局）的国际合作项目。NASA的戈达德太空飞行中心负责管理望远镜。太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃的科学运营。STScI由华盛顿特区的大学天文研究协会（AURA）为NASA运营。

参考
[1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/mystery-of-the-universe-s-expansion-rate-widens-with-new-hubble-data/
[2]https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/stsci-h-p1925b-editable10x6_0.pdf