梁柱

宇宙正在膨脹，這在科學(xué)界已經(jīng)是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，而最新的研究結(jié)果表明，宇宙膨脹的速度比我們預(yù)想的要快。

近日，來(lái)自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的最新數(shù)據(jù)顯示，宇宙膨脹速率—哈勃常數(shù)的值比公認(rèn)的要大9%。這次結(jié)果還近一步確認(rèn)了差異的來(lái)源：屬于測(cè)量誤差的概率是30萬(wàn)分之一。這意味著，宇宙的星系的確在以更快的速度相互遠(yuǎn)離，我們的宇宙也比預(yù)想的要年輕。

這項(xiàng)研究由約翰·霍普金斯大學(xué)空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)學(xué)院的 Adam Riess 教授領(lǐng)導(dǎo)。他所在的國(guó)際天文學(xué)小組 SH0ES 通過(guò)哈勃望遠(yuǎn)鏡測(cè)量了大麥哲倫星云一共70顆造父變星（Cepheid Variables）的周光規(guī)律，然后利用宇宙距離階梯實(shí)現(xiàn)對(duì)遙遠(yuǎn)星系的距離的測(cè)量。

他們得到最新的哈勃常數(shù)值是：73.45 ± 1.66[km/s/Mpc]。Mpc亦即百萬(wàn)秒差距，是天文測(cè)量中常用的距離單位，1Mpc大約為330萬(wàn)光年。這表示相距330萬(wàn)光年的兩個(gè)星體，在以大約每秒73公里的速度，彼此遠(yuǎn)離。這一速度是地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)速度的兩倍多。

目前學(xué)術(shù)界普遍公認(rèn)和采用的數(shù)值，來(lái)自于對(duì)宇宙微波背景輻射——即130億年前的早期宇宙——的測(cè)量。2015年，歐洲空間局發(fā)射的普朗克探測(cè)衛(wèi)星測(cè)量了宇宙微波背景輻射，得到的哈勃常數(shù)為 67.74 ± 0.46 [km/s/Mpc] 。新結(jié)果比公認(rèn)的數(shù)值要大9%！

Riess教授在宇宙膨脹方面作出了卓越的貢獻(xiàn)，他在1998年的研究結(jié)果驗(yàn)證了宇宙正在膨脹的事實(shí)，并因此獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從2005年開(kāi)始，他領(lǐng)導(dǎo)的SH0ES團(tuán)隊(duì)一直致力于改進(jìn)哈勃常數(shù)的精確度。

測(cè)量哈勃常數(shù)的三個(gè)步驟（英文圖示）

與前不久黑洞照片發(fā)布相比，這次結(jié)果雖然沒(méi)有引起大眾的廣泛注意，但也在科學(xué)界掀起了波瀾?！斑@不是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得到了不同的結(jié)果”，Riess解釋到，“我們測(cè)量的是本質(zhì)上不同的東西，我們團(tuán)隊(duì)觀測(cè)宇宙今天如何膨脹，而公認(rèn)的值是從對(duì)早期宇宙的觀測(cè)推演而來(lái)。這兩種測(cè)量方法本身沒(méi)有問(wèn)題，如果得到的結(jié)果不匹配，很有可能是連接早期宇宙和現(xiàn)在的宇宙的模型出現(xiàn)了問(wèn)題。”

用造父變星搭建宇宙天梯

計(jì)算哈勃常數(shù)需要兩個(gè)信息：星系與我們之間的距離，和星系遠(yuǎn)離的速度。速度可以通過(guò)光譜紅移得出，不存在爭(zhēng)議。對(duì)于距離為一億光年尺度上的星系，宇宙距離階梯是目前唯一一個(gè)有效的測(cè)量距離的方法。所謂宇宙距離階梯，是由一系列對(duì)不同類(lèi)別的星體距離的測(cè)量組成的。其中最可靠，也被用得最廣的星體是造父變星。它們是變星的一種，它們的亮度以幾天至數(shù)個(gè)月的周期非常有規(guī)律地脈動(dòng)。

造父變星有著一個(gè)普遍的規(guī)律：亮度越大，其變化周期也就越大，天文學(xué)家通過(guò)這個(gè)特性可以測(cè)量出造父變星的絕對(duì)星等（星體的絕對(duì)亮度）。而絕對(duì)星等相同的恒星在距離越遠(yuǎn)時(shí)看起來(lái)就越暗，即視星等越小。通過(guò)測(cè)量一個(gè)恒星的視星等（觀測(cè)亮度），就能得到造父變星的距離。造父變星存在于銀河系中，也存在于河外星系中，過(guò)去的一百年中，它們一直是建立銀河系和河外星系距離標(biāo)尺的可靠且重要的標(biāo)準(zhǔn)燭光。

在這項(xiàng)研究中，Riess 團(tuán)隊(duì)共觀察了大麥哲倫星云70顆造父變星，他們得到了這些變星的精確的距離信息。此外，宇宙中還存在著另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)燭光，那就是Ia型超新星，它們比造父變星更遠(yuǎn)也更明亮。天文學(xué)家用造父變星的距離去較正Ia超新星的距離，然后再用后者的距離校正更遠(yuǎn)星體的距離，就像爬梯子一樣，一步步向外擴(kuò)張到最邊緣的宇宙。用這種方法，天文學(xué)家得以精確測(cè)量10億光年遠(yuǎn)的星體與我們之間的距離。

宇宙學(xué)的危機(jī)：無(wú)法統(tǒng)一的哈勃常數(shù)

哈勃常數(shù)給我們帶來(lái)了迄今為止最重要的宇宙信息：宇宙膨脹的速度。然而，自它誕生的第一天起，它的取值就一直是天文學(xué)中最具爭(zhēng)議的主題。

1929年，哈勃在提交給《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》的論文中，畫(huà)了一幅著名的圖。哈勃在圖中用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系描繪出了星系距離與速度之間的關(guān)系：距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度就越快，直線(xiàn)的斜率就是哈勃常數(shù)的值。

最早由哈勃繪制的圖表，斜線(xiàn)代表哈勃常數(shù)取值

然而最初的哈勃常數(shù)是十分不精確的，細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)，這幅圖中哈勃常數(shù)為500[km/s/Mpc] ，與我們現(xiàn)在更為精確的測(cè)量結(jié)果（大約70[km/s/Mpc]）相去甚遠(yuǎn)。在接下來(lái)的半個(gè)世紀(jì)討論和爭(zhēng)辯中，哈勃常數(shù)的值被降到了100以下，但是它的具體取值依然是一個(gè)迷，根本原因是我們對(duì)于河外星體的距離測(cè)量始終存在較大誤差，不能有效地降低。所以，哈勃常數(shù)的測(cè)量史也是一部宇宙測(cè)距的發(fā)展史。

在測(cè)量比較近的星體的距離時(shí)，三角視差法就可以勝任。你用手遮住一只眼睛看一個(gè)物體，然后把手移開(kāi)，蓋住另一只眼睛觀察，發(fā)現(xiàn)物體的位置移動(dòng)了。通過(guò)瞳距和物體移動(dòng)的程度可以計(jì)算出物體的距離。同理，如果把眼睛換成地球，在地球公轉(zhuǎn)軌道的兩端觀察同一顆星體，星體成像也會(huì)產(chǎn)生偏差。不過(guò)，受限于天文望遠(yuǎn)鏡的角分辨率，這種方法只對(duì)銀河系內(nèi)的恒星有效，出了銀河系就束手無(wú)策了。

對(duì)于更遠(yuǎn)的星系，天文學(xué)家借助于一種叫作標(biāo)準(zhǔn)燭光的方法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，你看到一個(gè)物體的亮度和它與你的距離是平方反比的關(guān)系。而造父變星是標(biāo)準(zhǔn)燭光的最佳候選者，因?yàn)閺钠涮赜械闹芄怅P(guān)系可以測(cè)得它的絕對(duì)亮度，然后再通過(guò)觀察到的亮度較準(zhǔn)確地算出距離。更重要的是，造父變星在銀河系之內(nèi)和河外星系廣泛存在，它與近距離和遠(yuǎn)距離的恒星重疊，可以被用作絕佳的距離校準(zhǔn)工具。通過(guò)造父變星可以得到一億光年以?xún)?nèi)的恒星的距離。

當(dāng)我們的目標(biāo)是100億光年的星辰大海時(shí)，造父變星又顯得相形見(jiàn)絀。這時(shí)我們要用到宇宙中的另一種標(biāo)準(zhǔn)燭光：Ia型超新星。Ia型超新星存在于最遙遠(yuǎn)的星系中，它和造父變星一樣，也可以通過(guò)某種途徑得知絕對(duì)亮度。

至此，科學(xué)家們就構(gòu)建成了通向宇宙深處的階梯：用三角測(cè)距法測(cè)量銀河系內(nèi)恒星的距離，并據(jù)此校準(zhǔn)銀河系內(nèi)造父變星的距離;然后找到同時(shí)擁有造父變星和Ia型超新星的河外星系，通過(guò)前者校準(zhǔn)后者的距離;最后把目光轉(zhuǎn)向宇宙最深處，測(cè)量包含Ia型超新星的星系的距離。通過(guò)宇宙距離階梯，天文學(xué)家得以測(cè)量宇宙最邊緣的星系。

SH0ES從2005年開(kāi)始就用這個(gè)方法測(cè)量哈勃常數(shù)。在最開(kāi)始，他們的結(jié)果和通過(guò)宇宙微波背景輻射得到的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)重合。但是這個(gè)皆大歡喜的情形并沒(méi)有持續(xù)多久，隨著時(shí)間的推移，兩種方法的測(cè)量精度均不斷提升。終于在2013年，精度提升后的微波各向異性探測(cè)器所探測(cè)到的微波背景輻射結(jié)果，與SH0ES的結(jié)果出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)學(xué)上無(wú)法解釋的分歧。過(guò)去的六年，兩小組都進(jìn)行了不同程序的觀測(cè)，然而它們的結(jié)果卻絲毫沒(méi)有靠近的傾向，反而越走越遠(yuǎn)。

新玩家入場(chǎng)

宇宙微波背景輻射法觀察的是早期的宇宙，通過(guò)宇宙的演化理論來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)今的宇宙，而SH0ES所用的宇宙距離階梯則是對(duì)現(xiàn)今宇宙進(jìn)行直接的觀察。這兩種觀測(cè)方法都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的驗(yàn)證，本身并不存在問(wèn)題。

那么就只有一種可能了：我們對(duì)宇宙演化的認(rèn)識(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題。就好比在一個(gè)人小時(shí)候測(cè)量他的身高，然后通過(guò)一套身體發(fā)育的理論預(yù)測(cè)他長(zhǎng)大后的身高，但是10年后再來(lái)看，卻發(fā)現(xiàn)小孩已經(jīng)長(zhǎng)成了巨人。

天文學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始討論修改理論的可能性，有人認(rèn)為還需要一種有待發(fā)現(xiàn)的粒子，而另一些人則試圖用暗物質(zhì)和暗能量解釋更快的膨脹速度。而在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面，天文學(xué)家也試圖找到一種精度更高的方法，對(duì)哈勃常數(shù)進(jìn)行第三方獨(dú)立測(cè)量。在眾多備選方案中，其中有一個(gè)很有前景：利用引力波來(lái)測(cè)量。

該方案最成功的案例來(lái)自于前不久雙中子星合并事例 GW170817 ， 通過(guò)引力波的波形可以估算出波源與我們之間的距離，通過(guò)波源星系的光度和光譜的紅移量可以測(cè)得速度信息，從而可以得到哈勃常數(shù)的值。但是目前這個(gè)方法的測(cè)量精度只有10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到要求。

不過(guò)，它有一個(gè)其它方法無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)：完全獨(dú)立于電磁波的另一種媒介。隨著引力波設(shè)備探測(cè)精度的提高，和中子星甚至黑洞合并事件的積累，結(jié)果一定會(huì)更加精確。

我們已經(jīng)來(lái)到了一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如果能將哈勃常數(shù)的值確定在1%之內(nèi)，這對(duì)人類(lèi)了解宇宙演化具有十分重要的意義。（摘自美《深科技》（編輯/華生）