宇宙膨胀到底有多快？最新测量结果让科学家更困惑了

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Nature天然科研，思惟常新者以天然为其靠得住之依据

导语：一项被寄予厚望的新手艺未能解决有关宇宙膨胀速度的争议——至少今朝如斯。

比来几年来，关于宇宙膨胀速度的两种最精确的测量值存在半斤八两大的不合。宇宙学家寄但愿于一种自力方式来解决这个问题，成果这种方式让他们更苍茫了。

最新测量成果出自芝加哥大学天文学家 Wendy Freedman 带领的团队，已于 7 月 16 日对外发布，即将颁发在《天体物理学报》（Astrophysical Journal）上【1】。

Freedman 团队展示了一种操纵红巨星来测量宇宙膨胀速度的手艺。这种手艺有望代替天文学家已经利用了一个多宿世纪的方式。可是，今朝它所测量出的宇宙膨胀速度无法解决上述不合，因为它落在了两个本就互纷歧致的值中心。

“宇宙是在和我们恶作剧嘛？”一名天体物理学家对此发了这样一条推特。

“我们此刻正在试图搞清晰这些到底该怎么整合起来。”Freedman 对《天然》杂志说。若是无法解决宇宙膨胀速度的测量不合，那可能意味着宇宙学家用来解读数据的某些根本理论是错的，例如对暗物质性质的假设。“根本物理学上方高悬着达摩克利斯之剑。”Freedman 说。

宇宙的测速仪

美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）等人于 20 宿世纪 20 年发现了宇宙正在膨胀。他们的依据是大大都星系都在远离银河系——越远的星系远离速度越快。速度和距离的大致比率被称为哈勃常数。哈勃发现，距离每多一百万秒差距（大约 326 万光年），星系远离的速度就会增添 500 千米 / 秒，所以在“每百万秒差距每秒千米”这个单元下，哈勃常数就是 500。

在接下来的几十年里，测量方式逐渐改良，天文学家大幅下调了哈勃常数的估量值。Freedman 于 90 年月率先利用哈勃太空千里镜测量了哈勃常数，获得了 72 这一数字，误差是正负 10%。至今为止最切确的测量值为 74，误差仅有正负 1.91%，是由约翰·霍普金斯大学的诺贝尔奖得本家儿 Adam Riess 率领的团队测出的【2】。

可是曩昔十年里的另一项自力研究使工作变得加倍错综复杂。欧洲空间局“普朗克”打算的科学家们绘制出了大爆炸的遗留辐射图，即宇宙微波布景（CMB），并用它来计较宇宙的根基性质。依据关于宇宙的尺度理论假设，他们计较出的哈勃常数为 67.8。

67.8 和 74 之间的差距看似不大，可是因为两种方式均有所改良，已经发生了统计显著性差别。是以，理论学家起头思疑是不是宇宙的尺度理论有问题。这个叫做ΛCDM 的理论假设存在隐形的“暗物质”粒子，以及神秘的斥力“暗能量”。但他们也没能找到法子来批改理论，使之能在和关于宇宙的其他一切不雅察连结一致的前提下解决这个问题。

“从ΛCDM 里找线索很坚苦。没有什么调一调就能解决一切问题的窍门。”芝加哥大学的宇宙学家 Rocky Kolb 说。

Freedman 的最新测量法更新了哈勃测量法中的一个关头要素，最终获得了 69.8 这个值。

测量哈勃常数最大的难点在于靠得住地测量星系之间的距离。哈勃最初的估算法基于对较近星系的距离的测量。为此，他不雅察了一类被称为“造父变星”的敞亮恒星。天文学家 Henrietta Swan Leavitt 于二十宿世纪初发现，这些恒星现实的亮度是可以展望的。是以，经由过程测量它们在拍照版上显示出的亮度，就可以计较出恒星有多远。天文学家把这种标记性星体称为“尺度烛光”。

自此之后，天文学家一向在测验考试寻找比造父变星更好的尺度烛光，因为造父变星多存在于拥挤、多尘的区域，导致对其亮度的估算发生误差。“独一的解决方案是成长一种自力的测量法。至今为止我们从未查验过造父变星测量法的切确度。”Freedman 说。她职业生活生计中的大大都时候都用来改良该方式的切确度了。“她知道每一个天体藏在什么处所。”Kolb 说。

Freedman 和她的同事们完全绕过了造父变星，而选择了红巨星——已经熄灭的老年恒星——作为尺度烛光，同时选择超新星爆爆发为更远的星系的指示牌。

巨星计较

红巨星比造父变星要常见得多，很轻易在星系的边缘找到。在这些区域，恒星之间较为分离，也没有宇宙尘的问题。红巨星的亮度转变较大，可是当我们考虑整个星系的全数红巨星时，就有了一个很好用的特征。

红巨星的亮度在数百万年的时候里逐渐增添，达到最亮的那一刻后就会敏捷变暗。若是天文学家把一大群星体的颜色和亮度画到图上，红巨星会显示当作一片点云，而且有着明白的鸿沟。鸿沟上的星体就可以作为尺度烛光。

Freedman 团队利用这个方式计较了 18 个星系和我们之间的距离，对哈勃常数的估算初次达到了可以和造父变星法相媲美的切确度。

Riess 说红巨星法仍然需要对星系中宇宙尘的含量进行必然假设，出格是大麦哲伦星云——此次研究中的一个基准点。他说“宇宙尘很难估算。我认为必定会有良多人会商”作者的研究方式为什么会推出一个较低的哈勃常数值。

Freedman 团队的研究成果和“普朗克”的数据以及 Riess 的造父变星计较成果在统计上是相容的，也就是说误差规模有所重叠，而跟着红巨星数据逐渐堆集增添，这个方式的精确度也会响应提高。很快就可能会跨越造父变星法，Kolb 说。

红巨星法的测量值可能会标的目的另两种测量方式的成果之一偏移，或者可能会连结不变，而另两种测量方式的成果标的目的它接近。可是就今朝而言，宇宙学家还有良多谜题要解答。

参考文献：
1. Freedman, W. L. et al. Astrophys. J. (in the press).
2. Riess, A. G. et al. Preprint at (2019).

原文发布在 2019 年 7 月 16 日《天然》新闻上，作者：Davide Castelvecchi

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Nature|doi:10.1038/d41586-019-02198-z

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发表于 2019-07-31 21:27
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