宇宙又多一個謎！宇宙膨脹速率的新測量方法帶來新謎題

來源：視覺中國

通過使用一種不同類型的恆星，天文學家們重新測量了宇宙膨脹的速度。來自美國宇航局哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)的這個修正測量結果，馬上成為了天體物理學中一個備受爭議的問題的核心，這個問題可能會導致我們對宇宙的基本性質產生新的解釋。

在大約一個世紀之前，科學家們就已經知道宇宙正在膨脹，這意味著星系之間的距離每秒鐘都在變得越來越大。但是，太空究竟在以多快的速度擴張呢?這一個被稱為哈勃常數的數值，仍然難以捉摸。

現在，芝加哥大學教授溫迪·弗里德曼(Wendy Freedman)和她的同事們對現代宇宙的膨脹速度有了一個新的測量結果，這個結果表明星系之間的空間正在以超出科學家預期的速度膨脹。弗里德曼的研究和最近幾項研究均指出，現代宇宙膨脹測量結果與歐洲航天局(European Space Agency)普朗克衛星測量的130多億年前的宇宙膨脹數據之間存在著差異。

隨著越來越多的研究指出預測和觀測之間存在差異，科學家們正在考慮是否需要為宇宙基礎物理提出一個新的模型以解釋這種現象。

弗里德曼說：「哈勃常數是決定宇宙絕對規模、大小和年齡的宇宙參數;它是我們量化宇宙演化最直接的方法之一。我們之前看到的差異並沒有消失，但這一新的證據是不是表明我們當前的宇宙模型中存在根本性的缺陷?目前這尚無定論。」

在《天體物理學雜誌》上發表的一篇新論文中，弗里德曼和她的團隊宣布了一項用一種叫做紅巨星的恆星測量哈勃常數的新方法。他們用哈勃望遠鏡進行的新觀測表明，附近宇宙的膨脹速度略低於每秒70公里/秒/百萬秒差距(km/s/Mpc)。一秒差距相當於3.26光年的距離。

這一測量值略小於哈勃SH0ES(狀態方程中表示超新星H0)團隊最近使用造父變星得出的74 km/s /Mpc(造父變星是一種恆星，其脈衝周期與它們的亮度峰值相對應)。這個由約翰霍普金斯大學、馬里蘭州巴爾的摩市太空望遠鏡科學研究所的亞當·里斯(Adam Riess)領導的研究小組最近報告說，通過使用造父變星距離測量技術，他們將觀測結果提高到迄今為止的最高精度。

如何測量宇宙膨脹速度

測量宇宙膨脹率的一個主要挑戰，就是我們很難精確計算我們和遙遠天體之間的距離。

2001年，弗里德曼領導的研究小組利用遙遠的恆星對哈勃常數進行了具有里程碑意義的測量。哈勃太空望遠鏡主要項目組使用造父變星作為距離標記來測量了這個值。他們測量得出結論認為現代宇宙的哈勃常數值是72km/sec/Mpc。

但最近，科學家們採取了一種截然不同的方法：他們根據宇宙大爆炸遺留下來的漣漪結構(宇宙微波背景)建立了一個模型。普朗克衛星測量的結果使得科學家能夠預測早期宇宙的膨脹速率可能怎樣演變成今天天文學家測量到的宇宙膨脹速率。科學家計算出的數值為67.4 km/s /Mpc，這與使用造父變星測量的74.0 km/s /Mpc存在顯著差異。

天文學家一直在尋找可能導致這種不匹配的任何原因。弗里德曼說：「我們很自然地就產生了這樣的疑問：出現這種差異是因為天文學家對我們所測量的恆星還有不了解的地方嗎?還是因為我們的宇宙模型還不夠完善?還是兩者都有?」

為了檢驗他們的結果，弗里德曼的研究小組試圖用一種完全不同的恆星去建立一種完全獨立的哈勃常數新型測量方法。

某些恆星結束生命的時候會變成一種叫做紅巨星的恆星，這種恆星非常明亮(我們的太陽將在數十億年之後也會經歷相同的過程)，在某一時刻，這顆恆星會經歷了一場被稱為氦閃的災難性事件，它的溫度會上升到大約1億度，恆星的結構會被重新排列，最終極大地降低亮度。天文學家可以在不同星系中測量這一階段的紅巨星的表觀亮度，然後用這種方法來確定它們的距離。

哈勃常數是通過比較距離值和目標星系的表觀後退速度(apparent recessional velocity)計算得來的(後退速度就是星系移動的速度)。研究小組的計算結果表明，哈勃常數為69.8km/sec/Mpc——恰好在普朗克衛星和里斯小組得出數值的中間。

弗里德曼說：「我們最初的想法認為，如果造父變星和宇宙微波背景之間存在一個需要解決的問題的話，那麼紅巨星測量方法可以成為決定性因素。」

但是研究人員說，雖然紅巨星方法的測量結果與普朗克衛星的測量結果更為接近，但紅巨星方法的測量結果似乎並沒有特別偏向哪一方。

美國宇航局計劃於本世紀20年代中期發射廣域紅外探測望遠鏡(WFIRST)，這個望遠鏡將可以讓天文學家更好地跨越宇宙時間去探索哈勃常數的值。WFIRST有著與哈勃望遠鏡相似的解析度，但它的視野比哈勃望遠鏡要寬上100倍，天文學家們將會觀察到更多的新型Ia超新星、造父變星和紅巨星，從根本上改善對近處和遠處星系的距離測量。

哈勃太空望遠鏡是美國宇航局和歐洲航天局(ESA)合作的一個國際項目，由位於馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心負責管理，馬里蘭州巴爾的摩市的太空望遠鏡科學研究所(STScI)則負責哈勃的科學運作(STScI由位於華盛頓特區的天文學研究大學協會為NASA運作)。

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