宇宙正在膨脹，這在科學(xué)界已經(jīng)是一個(gè)不爭的事實(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)了差異的來源：屬于測量誤差的概率是30萬分之一。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)。他所在的國際天文學(xué)小組 SH0ES 通過哈勃望遠(yuǎn)鏡測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)對遙遠(yuǎn)星系的距離的測量。
他們得到最新的哈勃常數(shù)值是：73.45 ± 1.66[km/s/Mpc]。Mpc亦即百萬秒差距，是天文測量中常用的距離單位，1Mpc大約為三百三十萬光年。這表示相距330萬光年的兩個(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，來自于對宇宙微波背景輻射——即130億年前的早期宇宙——的測量。2015年，歐洲空間局發(fā)射的普朗克探測衛(wèi)星測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。
與前不久黑洞照片發(fā)布相比，這次結(jié)果雖然沒有引起大眾的廣泛注意，但也在科學(xué)界掀起了波瀾。“這不是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得到了不同的結(jié)果”，Riess解釋到，“我們測量的是本質(zhì)上不同的東西，我們團(tuán)隊(duì)觀測宇宙今天如何膨脹，而公認(rèn)的值是從對早期宇宙的觀測推演而來。這兩種測量方法本身沒有問題，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。速度可以通過光譜紅移得出，不存在爭議。對于距離為一億光年尺度上的星系，宇宙距離階梯(cosmic distance ladder)是目前唯一一個(gè)有效的測量距離的方法。
所謂宇宙距離階梯，是由一系列對不同類別的星體距離的測量組成的。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)家通過這個(gè)特性可以測量出造父變星的絕對星等(星體的絕對亮度)。而絕對星等相同的恒星在距離越遠(yuǎn)時(shí)看起來就越暗，即視星等越小。通過測量一個(gè)恒星的視星等(觀測亮度)，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)：無法統(tǒng)一的哈勃常數(shù)
哈勃常數(shù)給我們帶來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)中最具爭議的主題。
1929年，哈勃在提交給《美國科學(xué)院院報(bào)》的論文中，畫了一幅著名的圖。哈勃在圖中用簡單的線性關(guān)系描繪出了星系距離與速度之間的關(guān)系：距離我們越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度就越快，直線的斜率就是哈勃常數(shù)的值。
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)在更為精確的測量結(jié)果(大約70[km/s/Mpc])相去甚遠(yuǎn)。
在接下來的半個(gè)世紀(jì)討論和爭辯中，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，根本原因是我們對于河外星體的距離測量始終存在較大誤差，不能有效地降低。
所以，哈勃常數(shù)的測量史也是一部宇宙測距的發(fā)展史。
在測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，蓋住另一只眼睛觀察，發(fā)現(xiàn)物體的位置移動(dòng)了。通過瞳距和物體移動(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，星體成像也會產(chǎn)生偏差。不過，受限于天文望遠(yuǎn)鏡的角分辨率，這種方法只對銀河系內(nèi)的恒星有效，出了銀河系就束手無策了。
對于更遠(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。簡單來說，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)系可以測得它的絕對亮度，然后再通過觀察到的亮度較準(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。通過造父變星可以得到1億光年以內(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，也可以通過某種途徑得知絕對亮度。
至此，科學(xué)家們就構(gòu)建成了通向宇宙深處的階梯：用三角測距法測量銀河系內(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，通過前者校準(zhǔn)后者的距離;最后把目光轉(zhuǎn)向宇宙最深處，測量包含 Ia 型超新星的星系的距離。通過宇宙距離階梯，天文學(xué)家得以測量宇宙最邊緣的星系。
SH0ES 從2005年開始就用這個(gè)方法測量哈勃常數(shù)。在最開始，他們的結(jié)果和通過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有持續(xù)多久，隨著時(shí)間的推移，兩種方法的測量精度均不斷提升。終于在2013年，精度提升后的微波各向異性探測器所探測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)上無法解釋的分歧。過去的6年，兩小組都進(jìn)行了不同程序的觀測，然而它們的結(jié)果卻絲毫沒有靠近的傾向，反而越走越遠(yuǎn)。
新玩家入場
宇宙微波背景輻射法觀察的是早期的宇宙，通過宇宙的演化理論來預(yù)測現(xiàn)今的宇宙，而SH0ES 所用的宇宙距離階梯則是對現(xiàn)今宇宙進(jìn)行直接的觀察。這兩種觀測方法都經(jīng)過了嚴(yán)格的驗(yàn)證，本身并不存在問題。
那么就只有一種可能了：我們對宇宙演化的認(rèn)識出現(xiàn)了問題。就好比在一個(gè)人小時(shí)候測量他的身高，然后通過一套身體發(fā)育的理論預(yù)測他長大后的身高，但是十年后再來看，卻發(fā)現(xiàn)小孩已經(jīng)長成了巨人。
天文學(xué)家們已經(jīng)開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)觀測方面，天文學(xué)家也試圖找到一種精度更高的方法，對哈勃常數(shù)進(jìn)行第三方獨(dú)立測量。在眾多備選方案中，其中有一個(gè)很有前景：利用引力波來測量。
該方案最成功的案例來自于前不久雙中子星合并事例 GW170817 ， 通過引力波的波形可以估算出波源與我們之間的距離，通過波源星系的光度和光譜的紅移量可以測得速度信息，從而可以得到哈勃常數(shù)的值。但是目前這個(gè)方法的測量精度只有10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到要求。
不過，它有一個(gè)其它方法無法企及的優(yōu)勢：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)果一定會更加精確。
我們已經(jīng)來到了一個(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)，這對人類了解宇宙演化具有十分重要的意義。
關(guān)鍵詞：
