宇宙又多一个谜！宇宙膨胀速率的新测量方法带来新谜题

来源：视觉中国

通过使用一种不同类型的恒星，天文学家们重新测量了宇宙膨胀的速度。来自美国宇航局哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)的这个修正测量结果，马上成为了天体物理学中一个备受争议的问题的核心，这个问题可能会导致我们对宇宙的基本性质产生新的解释。

在大约一个世纪之前，科学家们就已经知道宇宙正在膨胀，这意味着星系之间的距离每秒钟都在变得越来越大。但是，太空究竟在以多快的速度扩张呢?这一个被称为哈勃常数的数值，仍然难以捉摸。

现在，芝加哥大学教授温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)和她的同事们对现代宇宙的膨胀速度有了一个新的测量结果，这个结果表明星系之间的空间正在以超出科学家预期的速度膨胀。弗里德曼的研究和最近几项研究均指出，现代宇宙膨胀测量结果与欧洲航天局(European Space Agency)普朗克卫星测量的130多亿年前的宇宙膨胀数据之间存在着差异。

随着越来越多的研究指出预测和观测之间存在差异，科学家们正在考虑是否需要为宇宙基础物理提出一个新的模型以解释这种现象。

弗里德曼说：“哈勃常数是决定宇宙绝对规模、大小和年龄的宇宙参数;它是我们量化宇宙演化最直接的方法之一。我们之前看到的差异并没有消失，但这一新的证据是不是表明我们当前的宇宙模型中存在根本性的缺陷?目前这尚无定论。”

在《天体物理学杂志》上发表的一篇新论文中，弗里德曼和她的团队宣布了一项用一种叫做红巨星的恒星测量哈勃常数的新方法。他们用哈勃望远镜进行的新观测表明，附近宇宙的膨胀速度略低于每秒70公里/秒/百万秒差距(km/s/Mpc)。一秒差距相当于3.26光年的距离。

这一测量值略小于哈勃SH0ES(状态方程中表示超新星H0)团队最近使用造父变星得出的74 km/s /Mpc(造父变星是一种恒星，其脉冲周期与它们的亮度峰值相对应)。这个由约翰霍普金斯大学、马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所的亚当·里斯(Adam Riess)领导的研究小组最近报告说，通过使用造父变星距离测量技术，他们将观测结果提高到迄今为止的最高精度。

如何测量宇宙膨胀速度

测量宇宙膨胀率的一个主要挑战，就是我们很难精确计算我们和遥远天体之间的距离。

2001年，弗里德曼领导的研究小组利用遥远的恒星对哈勃常数进行了具有里程碑意义的测量。哈勃太空望远镜主要项目组使用造父变星作为距离标记来测量了这个值。他们测量得出结论认为现代宇宙的哈勃常数值是72km/sec/Mpc。

但最近，科学家们采取了一种截然不同的方法：他们根据宇宙大爆炸遗留下来的涟漪结构(宇宙微波背景)建立了一个模型。普朗克卫星测量的结果使得科学家能够预测早期宇宙的膨胀速率可能怎样演变成今天天文学家测量到的宇宙膨胀速率。科学家计算出的数值为67.4 km/s /Mpc，这与使用造父变星测量的74.0 km/s /Mpc存在显著差异。

天文学家一直在寻找可能导致这种不匹配的任何原因。弗里德曼说：“我们很自然地就产生了这样的疑问：出现这种差异是因为天文学家对我们所测量的恒星还有不了解的地方吗?还是因为我们的宇宙模型还不够完善?还是两者都有?”

为了检验他们的结果，弗里德曼的研究小组试图用一种完全不同的恒星去建立一种完全独立的哈勃常数新型测量方法。

某些恒星结束生命的时候会变成一种叫做红巨星的恒星，这种恒星非常明亮(我们的太阳将在数十亿年之后也会经历相同的过程)，在某一时刻，这颗恒星会经历了一场被称为氦闪的灾难性事件，它的温度会上升到大约1亿度，恒星的结构会被重新排列，最终极大地降低亮度。天文学家可以在不同星系中测量这一阶段的红巨星的表观亮度，然后用这种方法来确定它们的距离。

哈勃常数是通过比较距离值和目标星系的表观后退速度(apparent recessional velocity)计算得来的(后退速度就是星系移动的速度)。研究小组的计算结果表明，哈勃常数为69.8km/sec/Mpc——恰好在普朗克卫星和里斯小组得出数值的中间。

弗里德曼说：“我们最初的想法认为，如果造父变星和宇宙微波背景之间存在一个需要解决的问题的话，那么红巨星测量方法可以成为决定性因素。”

但是研究人员说，虽然红巨星方法的测量结果与普朗克卫星的测量结果更为接近，但红巨星方法的测量结果似乎并没有特别偏向哪一方。

美国宇航局计划于本世纪20年代中期发射广域红外探测望远镜(WFIRST)，这个望远镜将可以让天文学家更好地跨越宇宙时间去探索哈勃常数的值。WFIRST有着与哈勃望远镜相似的分辨率，但它的视野比哈勃望远镜要宽上100倍，天文学家们将会观察到更多的新型Ia超新星、造父变星和红巨星，从根本上改善对近处和远处星系的距离测量。

哈勃太空望远镜是美国宇航局和欧洲航天局(ESA)合作的一个国际项目，由位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心负责管理，马里兰州巴尔的摩市的太空望远镜科学研究所(STScI)则负责哈勃的科学运作(STScI由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运作)。