哈勃太空望远镜的最新测量结果显示宇宙正在以超乎我们预期的速度膨胀

这张由哈勃太空望远镜所拍摄的望远影像，是镜的结果距离地球约 1亿2000万光年的螺旋星马克仁1337（Markarian 1337）。 2006 年天文学家在此星系观察到某特定种类的最新正超胀超新星爆炸，提供研究人员决定宇宙目前膨胀速度所需的测量部分数据。 IMAGE BY ESA/HUBBLE & NASA,显示 A. RIESS ET AL.
（神秘的地球uux.cn报道）据美国国家地理（撰文：MICHAEL GRESHKO 编译：邱彦纶）：哈勃太空望远镜的最新测量结果显示，宇宙膨胀的宇宙预期速度比科学模型预测的还要更快──这暗示宇宙可能受到某种未知成分影响。
这是速度膨现代天文学最大的谜题之一：根据科学家对恒星和星系的多次观测，发现宇宙膨胀的哈勃乎们速度似乎比我们最佳的宇宙模型所预测的还要更快。跟这个谜题有关的太空证据已持续积累多年，一些研究人员甚至认为这是望远宇宙学领域一项迫在眉睫的危机。
现在，镜的结果一群科学家利用哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）的最新正超胀观测数据汇编出巨大的新资料库。他们发现，测量这种差异为偶然的机率只有百万分之一。换句话说，目前看来更有可能的状况是，宇宙中仍有些天文学家尚无法确定的基本成分（或是已知成分也可能带来意想不到的影响）。
约翰霍普金斯大学的天文学家亚当．黎斯（Adam Riess）领军这项最新的差异研究，他指出：「宇宙似乎带给我们许多惊喜，这是件好事，因为这能帮助我们更深入理解宇宙。」
这个谜题称为「哈勃冲突」（Hubble tension），以天文学家艾德温．哈勃（Edwin Hubble）为名。他在1929年发现离我们愈远的星系，远离的速度愈快──这项观测让我们目前的宇宙概念成为可能：宇宙起源自大霹雳（Big Bang）后便不断地膨胀。
研究人员主要使用两种方式来测量宇宙目前的膨胀速度：测量邻近恒星的距离，及测绘可追溯到新生宇宙的微弱光辉。在超过130亿年的宇宙历史中，这两种方法让我们得以测试对宇宙的理解。这些研究还发现了一些关键宇宙成分，像是「暗能量」（dark energy）──科学家认为这种神秘的力量是推动宇宙加速膨胀的动力。
但这两种方法对当前宇宙膨胀速度所做出的计算约有8%的差异。这个差异听起来可能不多，但若这个差异确实存在，那就代表宇宙现在的膨胀速度甚至超越了暗能量所能解释的速度──这显示我们对宇宙的理解出现了漏洞。
研究人员在12月初提交给《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal）数项研究成果，他们使用特定种类的恒星和恒星爆炸来测量我们和邻近星系间的距离。资料库中包含了对42颗不同恒星爆炸的观测，数据量比规模第二大的同类分析多出两倍多。研究团队表示，他们的新分析和对早期宇宙测量结果之间的冲突已经达到了五个标准差，也就是粒子物理学中用来确认新粒子存在的统计阈值。
不过其他天文学家认为数据仍可能有些误差，这表示哈勃冲突可能只是个统计瑕疵。
「我不知道这么大的误差是如何隐藏的，如果真是如此，过去还未曾有人提出。」团队成员之一的杜克大学天文学家丹．斯科尔尼可（Dan Scolnic）表示：「我们已经检查了所有的可能性，但没有任何一种能提供合理解释。」
宇宙微波和距离阶梯
哈勃冲突来自各种测量或预测宇宙目前膨胀速度──也就是哈勃常数（Hubble constant）──的尝试，天文学家可以利用哈勃常数来估计宇宙自大霹雳以来的年龄。
另一种测量哈勃常数的方法是仰赖宇宙微波背景（cosmic microwave background，简称CMB），这是宇宙刚诞生38万年时形成的微弱光芒。像欧洲太空总署（ESA）普朗克天文台（Planck observatory）等望远镜已测量了宇宙微波背景，提供了物质和能量在早期宇宙如何分布的详细资讯，及背后的物理原理。
宇宙学家使用一个曾非常成功预测许多宇宙特性的模型──Lambda 冷暗物质模型（Lambda Cold Dark Matter model），在数学上能将婴儿期宇宙快速推进到宇宙微波背景所见，并预测目前的哈勃常数。根据此模型预测，宇宙目前应以大约67.36公里/秒/百万秒差距的速度膨胀（100万秒差距等于 326 万光年）。
相比之下，其他团队藉由观察「本地」宇宙──离我们比较近的现代恒星和星系──来测量哈勃常数。这样的计算需要两种数据：星系远离我们的速度以及该星系和我们之间的距离。这反过来又需要天文学家发展所谓的宇宙距离阶梯（cosmic distance ladder）。
这项新研究的宇宙距离阶梯是由黎斯的研究小组SHoES构建，从测量我们与造父变星（Cepheid variable）这种恒星之间的距离开始。造父变星很有科学价值，因为它们的本质就像是已知瓦数的闪光灯，会规律地变亮和变暗，而且愈明亮的造父变星，脉动的周期就愈长。天文学家利用这个原理，可以根据它们的脉动速率，来估计更遥远造父变星的内秉亮度，最后计算出这些恒星与我们之间的距离。
为了将这个阶梯距离延伸得更远，天文学家根据名为1a型超新星的恒星爆炸，增加了一些梯级。天文学家研究同时拥有造父变星和1a型超新星的星系，就能计算出超新星亮度和距离之间的关系。由于1a型超新星比造父变星要亮得多，因此能在更远的地方观察到这类天体，天文学家便能将它们的测量结果扩展到宇宙中更遥远的星系。
考虑不同变异
问题是要准确测量所有这些恒星和超新星是非常复杂的工作。技术上说来，并非所有的造父变星和1a型超新星看起来都完全相同：有些可能有不同的成分、不同的颜色或不同类型的宿主星系。天文学家已经花了很多年的时间尝试解释这所有的变异性──但要确认一些隐藏的误差源没有从中作梗，其实非常困难。
为了解决这些问题，一个名为Pantheon+团队的研究小组详尽地分析了自1981年以来收集的1701个1a型超新星观测。他们努力地量化所有已知的不确定性和偏差的来源。
杜克大学的斯科尔尼可与哈佛－史密森尼天体物理中心的研究员狄伦．布劳特（Dillon Brout）共同领导Pantheon+ 研究团队，他表示：「我们关心的是像1991年11月的天气和望远镜的观测情况──这很棘手。」
研究团队的发现为黎斯和SHoES研究小组的新分析提供了依据。在对可能影响造父变星观测的因素进行了同样详尽的交叉确认后，他们得到了迄今最精确估计的哈勃常数： 73.04 ±1.04公里/秒/每百万秒差距。这比普朗克天文台测量宇宙微波背景所推断出的数值高了约8%。
另外，研究小组竭尽所能地测试其他科学家对这项哈勃常数估计值高于普朗克所得数值的想法。研究人员对他们的分析共进行了67种不同的分析──其中许多都让冲突变得更加严重。
「我认为，我们已经认真听取了许多关切和争论，」黎斯表示：「这并非只是简单地变个魔法……我们也曾陷入许多摸不着头绪的无底洞。」
未知的宇宙
不过近年来，芝加哥大学的温蒂．弗里德曼（Wendy Freedman）致力研究如何不仰赖脉冲星来估计哈勃常数的方法。她反而是使用一群特别的红巨星，它们的功能也像已知瓦数的灯泡。弗里德曼根据这些替代的「标准烛光」，或是说已知内秉亮度的天体，独立估算出的哈勃常数为69.8公里/秒/每百万秒差距──这介于其他两个测量值之间。
弗里德曼指出，虽然团队非常小心，但尚未发现的误差可能仍会影响分析，也许会造成其实并不存在的冲突。她补充说明，有些不确定性的来源也无法避免。举例来说，只有三个离银河系够近的星系，能让我们直接测量其距离，而宇宙距离阶梯就奠基在这三个星系上。
弗里德曼表示：「三是个很小的数字，但这就是大自然赋予我们的。」
Pantheon+和SHoES团队对弗里德曼及其他人的结果进行了长时间的研究，他们有些不同的分析，检验若是将弗里德曼选择的恒星，与造父变星和1a型超新星一起加入宇宙距离阶梯，那会发生什么事。根据他们的研究，若是将这些额外的恒星纳入，会略微降低哈勃常数的估计值──但并没有使冲突消失。
如果哈勃常数真的反映了我们的真实物理情况，那么我们可能得在宇宙基本成分列表添加其他的因素，才有办法解释这种情形。
其中一个主要的竞争理论是早期暗能量，这种理论认为在大霹雳后约5万年曾有过短暂的暗能量爆发。原则上，短暂的额外暗能量能够改变早期宇宙的膨胀，这足以解决哈勃冲突，又不会对宇宙学的标准模型造成太大的干扰。
但若是如此，宇宙学家对宇宙年龄的估计值将从目前的138亿年降为约130亿年。
「这依然问题重重，为什么我们得要引进一个突然出现又消失的新事物──这感觉有点好笑。」德州大学奥斯汀分校的天文物理学家麦可．博伊兰－科尔钦（Mike Boylan-Kolchin）指出：「但我们的处境正是如此──如果这些事情真的有那么大的差异，也许我们就必须得开始寻找宇宙中奇怪的角落。」
虽然有些线索已经浮出水面，但目前还没有关于早期暗能量的决定性证据。今年9月，测量宇宙微波背景的智利阿塔卡马宇宙学望远镜（Atacama Cosmology Telescope）团队，宣称含有早期暗能量的模型比标准宇宙学模型更符合其观测数据。不过普朗克望远镜的数据并不支持这种说法，未来还需要更多的观测数据才能揭开谜底。
其他天文台应该也能帮助弄清楚哈勃常数的数值。像是自2014年以来一直在测绘银河系的ESA盖亚卫星（Gaia），愈来愈精确地估计银河系许多恒星的距离，其中也包括了造父变星。而才刚发射的詹姆斯．韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope），也能帮助天文学家再度确认哈勃望远镜对某些恒星的观测数据。
「我们正处于可能的边缘，」弗里德曼说：「我们会追查到底。」