宇宙难题:宇宙膨胀到底有多快?

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宇宙学中似乎出了点问题。由于试图测量宇宙当前的膨胀率,即哈勃常数,产生了一种张力。大型国际团队使用了两种一般方法来确定它,所有的研究小组都非常努力地进行研究,并对他们的研究结果进行了交叉检查,他们的测量结果看起来非常可靠,但是一种方法的实践者不能完全同意另一种方法的实践者,风险很大。

天文学家发现了宇宙膨胀率的两个不同值,但他们不可能都是对的。

宇宙学中似乎出了点问题。由于试图测量宇宙当前的膨胀率,即哈勃常数,产生了一种张力。大型国际团队使用了两种一般方法来确定它,所有的研究小组都非常努力地进行研究,并对他们的研究结果进行了交叉检查,他们的测量结果看起来非常可靠,但是一种方法的实践者不能完全同意另一种方法的实践者,风险很大。

正如空间望远镜科学研究所和约翰·霍普金斯大学的诺贝尔奖获得者亚当·里斯所解释的,“现在的选择要么是一个错误的阴谋,不仅是在一次测量中,而是在多次测量中”。或者宇宙中有某种有趣的新物理学。”哈勃战争围绕哈勃常数的争论对宇宙学来说并不新鲜,这个参数,通常被称为H-nout(简称H0),是决定宇宙年龄和最终命运的基础,给天文学家一个强大的动力使其正确,为了直接测量H0,天文学家需要观测许多星系,并从每一个星系中收集两个关键信息:它的距离和它离开我们的速度。后者直接来自于测量星系中有多少光线已经向红色移动,但是确定距离要困难得多,从20世纪60年代到80年代,卡内基天文台的艾伦·桑德奇领导的一个研究小组一直在测量每兆帕每秒50到55公里的H0值。(兆帕秒等于326万光年)一个由德克萨斯大学的盖拉尔德沃库勒斯领导的竞争团队得到了大约100个数字,这种二分之一的差异是如此极端,以至于科学争论演变成了个人仇恨。两个小组都使用传统的“距离阶梯”方法来测量距离。他们监测了遥远星系中的造父变星,这些超级巨星的光度与它们的变化周期相关联,使它们成为极好的“标准烛光”,即能发出众所周知数量的光的物体。一旦天文学家用三角视差测量银河系中的Cepheids距离,他们就可以通过观察它们各自的造父变星的亮度和衰落来计算与其他星系的距离。

哈勃战争似乎在2001年减弱,当时哈勃太空望远镜的关键项目发布了一个72的H0,其不确定范围为正负8。通过使用哈勃望远镜,Wendy Freedman(现在在芝加哥大学)和她的同事们监测了星系中的造父变星大约8000万光年。然后,他们利用这些结果来校准星系中的其他距离指示器到大约13亿光年。在那个距离上,宇宙膨胀支配着星系远离我们的速度,在它们的星系团内星系的运动中几乎没有“干扰”。最近,采用传统距离阶梯法的团队测量了约73个H0值,与关键项目一致,但精度更高。然而,研究宇宙微波背景(CMB)的团队正在计算大约67的H0值,所有这些测量都变得如此精确以至于它们的不确定度范围不再重叠。

哈勃常数是73

许多宇宙学家仍然怀疑哈勃的张力最终会消失,这是测量或系统误差的结果。尽管这一立场仍然站得住脚,但测量工具和技术的最新进展却指向了相反的方向。里斯说:“只有不到0.01%的几率这种差异是偶然发生的”。一个很好的例子是SH0ES的最新结果——超新星H0的状态方程——一个大型国际财团Riess领导。2018年,该团队公布的H0为73.5,不确定性仅为2.2%。SH0ES采用了与关键项目相同的距离阶梯法,但它增加了强大的新测量工具。最重要的是Ia型超新星-白矮星,它们以相对均匀的亮度爆炸。科学家们通过研究它们的亮度和褪色速度,仔细校准了它们的强度变化,使它们成为理想的标准蜡烛。而且这些超新星非常明亮,所以它们可以在比造父变星更远的距离看到。

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大熊座M101旋涡星系的表面距离地球只有2100万光年。它的接近意味着当Ia超新星2011Fe在2011年8月在螺旋臂中爆发时,天文学家们获得了特别敏锐的观点。哈勃天文学家还测量了M101中272个造父变星的周期和亮度。NASA/ESA/STScI

Riess和他的同事们特别感兴趣的星系足够接近造父变星监测,但也托管型IA超新星近年来。他的团队已经分析了19个这样的星系,还有19个星系,给了他们独立的距离测量。但是为了交叉检查造父变星和超新星的结果,SH0ES还使用了几何距离指示器,例如大麦哲伦云中的日食双星和旋涡星系M106中的水脉泽。由于欧洲航天局的盖亚卫星和哈勃望远镜的改进,甚至我们银河系中造父变星的距离也变得更加精确。SH0ES得到的H0与关键项目几乎相同,但其不确定性范围已明显缩小。里斯说:“与前几代相比,数据质量有了很大的改善。

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超新星2009ig在棒螺旋星系NGC 1015中爆炸。(箭头指向超新星的位置)银河系还包含40多颗造父变星,有助于加强这两个重要的标准烛光之间的联系。NGC 1015位于距地球1.18亿光年的Cetus星座。NASA/ESA/A. Riess (STScI/JHU)

另一个组织,卡内基研究小组也得到了同样的结果。它最近的论文列出了两个H0值,73.2和72.7,通过不同的波长滤光片,不确定度分别只有2.3和2.1。卡内基研究小组组长克里斯托弗·伯恩斯说,他的研究小组使用的造父变星、食双星和脉泽数据与SH0ES相同,但卡内基采用了不同的方法来分析超新星数据,并对光度变化和尘埃的变红效应进行修正。伯恩斯说:“我们用不同的假设和不同的数据集以稍微不同的方式进行了这些修正,但我们得出的答案是一样的”。“就超新星而言,我很有信心我们做的是正确的”,但是伯恩斯很快补充说,SH0ES和卡内基使用相同的造父变星数据,并使用类似的方法来研究它们。那部分让他有点不安。他说:“我希望有另一种方法来计算到这些超新星的距离,并确保这一点也得到认同”。

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螺旋星系NGC 3972托管了2011by超新星。(箭头显示了爆炸恒星的位置)天文学家在这个星系中跟踪了几十个造父变星,使它成为连接宇宙距离阶梯上两个梯级的关键物体。NGC 3972距离大熊座6500万光年。NASA/ESA/A. Riess (STScI/JHU)

为了给SH0ES和卡内基的结果增加信心,COSMOGRAIL的Wellspring(H0LiCOW)小组的H0透镜最近宣布了一种新的H0测量方法。用一种完全独立的方法,这个国际团队花了好几年的时间观察远方类星体闪耀的亮度,这些星体是由前景星系引力造成的。由于来自每个透镜类星体的光到达地球需要多条路径和不同的时间,因此H0-licow天文学家可以从这些时间延迟中得到H0。该小组最近测量出的H0为72.5,不确定度为3%。德国加兴马克斯普朗克天体物理研究所的H0LiCOW小组负责人雪莉·苏尤说:“在我们的分析过程中,我们一直不知道哈勃常数,这意味着我们永远不知道我们在整个分析过程中得到了什么价值”。“这很重要,因为这样可以避免确认偏差。所以我们并不是下意识地偏爱一个H0而不是另一个。”

H0LiCOW的结果与SH0ES和卡内基的结果非常吻合。换句话说,所有在本地宇宙中测量H0的团队都得到了相同的结果:大约73个。

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B1608+656中的引力透镜类星体提供了一种确定宇宙距离的独立方法。特写镜头揭示了两个前景星系,它把一个更遥远的类星体的光涂抹成四个弧。星系距地球50亿光年,类星体距离我们40亿光年。NASA/ESA/Hubble/S. Suyu (MPIA) et al.

不,哈勃常数是67

如果不是CMB测量,哈勃常数可能会被认为是一个已解决的问题,研究人员将继续进行其他项目。但是,尽管CMB的结果不是H0的直接测量结果,但它仍然具有很强的说服力。相反,考虑到早期宇宙的已知条件以及宇宙的主要成分如何影响宇宙膨胀,它们是对H0应该是什么的预测。

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狮子座的旋涡星系NGC 3370在9800万光年的空间中闪耀。1994年11月,它托管了Ia型超新星1994ae。它还夸耀天文学家已经跟踪65个造父变星,以获得一个独立的距离测量。NASA/ESA/The Hubble Heritage Team and A. Riess (STScI)

产生CMB的材料是在大爆炸中锻造的,38万年来,宇宙是一个致密、不透明的带电气体海洋,被称为等离子体,声波穿过等离子体,使物质非随机地压缩和稀薄到高密度和低密度区域,它们现在被印在CMB。在大爆炸大约38万年后,宇宙已经膨胀和冷却到足以让电子与原子核结合形成原子。这使得大爆炸的残余气体能够像光一样自由地向各个方向辐射。在接下来的138亿年里,宇宙膨胀已经将这一古老的光红移到光谱的微波部分。暗物质和正常物质的精确混合影响了早期声波随温度变化对CMB的影响。美国航天局的WMAP卫星和欧洲的普朗克卫星已经测量了这些不规则现象,其测量精度在整个天空中不断提高,其中普朗克提供了最敏感的地图。对普朗克数据的详细分析,再加上其他数据,使宇宙学家能够测量出宇宙中68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和4.9%的“正常”物质。当宇宙学家把这些数字插入广义相对论的爱因斯坦方程时,他们预测H0为67.4,不确定度范围仅为0.5。

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CMB对H0的预测是假设宇宙的内容被原子物质、冷暗物质和暗能量很好地描述。如果这种描述是不完整的,预测可能是错误的,但没有证据证明这一点,”英国哥伦比亚大学的CMB研究员Gary Hinshaw说。普朗克的结果与所有其他CMB研究一致。但它明显低于由SH0ES、卡内基和H0LiCOW测量的H0值,并且它们的误差条没有重叠。“我不得不承认,作为一个可以追溯到H0中两个不确定因素的人,我很难因为几个百分点的分歧而变得非常激动!宾夕法尼亚州立大学天文学家唐纳德·施奈德说。但是如果这种对H0的紧张持续下去会发生什么呢?

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天文学家研究了位于处女座的NGC5584旋涡星系中的85个造父变星,发现它位于7000万光年之外。然后他们将这个数值应用到星系的超新星2007af上,以帮助校准到这些更明亮物体的距离。NASA/ESA/A. Riess (STScI/JHU)/L. Macri (Texas A&M University)/The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

很多未知的物理如果未来的观测不能证明这种张力是由测量误差引起的,那么它将给目前流行的宇宙模型Lambda-CDM带来麻烦。Lambda是一个希腊字母,它象征着爱因斯坦的宇宙学常数,这是一种空间不变的性质,它施加一种微小但不可阻挡的排斥力。因此,模型默认宇宙常数是导致宇宙膨胀加速的暗能量。CDM代表“冷暗物质”,意思是宇宙的大部分质量由相对缓慢移动的重粒子组成。Lambda CDM完美地解释了宇宙,并且与几乎所有的天文数据一致。该模型假设宇宙在大尺度上是空间平坦的,这意味着两个平行的光束将在数十亿光年内保持平行,不受阻碍地穿过星系际空间。它还假设爱因斯坦的广义相对论在大尺度上解释了宇宙。这个模型非常成功,以至于宇宙学家不愿意放弃它,甚至不愿意做实质性的修改。但正如里斯所解释的:“在这个模型中有很多未知的物理。”

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天文学家利用16个造父变星的光变化推断大熊座的NGC 3982位于6800万光年之外。1998年4月,超新星1998aq照亮了NGC 3982。科学家使用两种物体的星系来将距离阶梯延伸到宇宙深处。NASA/ESA/The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

例如,我们不知道什么样的粒子构成暗物质,甚至不知道它是否是粒子。毕竟,许多探测暗物质粒子的实验都是空的。我们不知道是什么导致宇宙膨胀加速。它可能是爱因斯坦的宇宙学常数;它可能是某种随时间变化的动力场;也可能是别的什么东西。里斯说:“如果我们不能解释宇宙在整个宇宙时间内的动力学,当我们不能真正理解宇宙95%的物理时,我们不应该震惊”。

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欧洲的普朗克卫星获得了宇宙微波背景的最佳数据。将这些结果与宇宙的标准模型相结合,产生的哈勃常数稍稍有点小,但却比附近星系的哈勃常数小。ESA/Planck Collaboration

艰巨的挑战

H0张力对理论家提出了挑战。虽然理论家是一批有创造力的人,但他们不能只是想出解决这个宇宙难题的办法。普林斯顿大学物理学家乔安娜·邓克利(Joanna Dunkley)解释说:“要改变Lambda CDM,使之真正符合早期宇宙和晚期宇宙这一庞大数据集的工作方式,真的很难”。里斯补充道:“人们的共识是,如果你在寻找一个源头,它很可能涉及到早期宇宙的一些物理现象”。

约翰霍普金斯大学的维维安·普林最近发表了一个很有前途的想法。他和三位同事假设,在大爆炸后大约2万到10万年,一种轻微影响宇宙膨胀的暗能量形式注入了宇宙。普林说,这种暗能量“可以解释这种测量上的不匹配,”他补充说,“这种想法的美妙之处在于它没有那么奇异,我们已经在不同时期观察到类似的影响。”

另一个合理的想法是存在一种目前未知的第四种中微子,这种以太粒子被称为无菌中微子,会增加早期宇宙的辐射量,当插入Lambda CDM时,额外的辐射增加了由CMB预测的哈勃常数。这两种想法都可以缓解H0的紧张,而不必对Lambda CDM做根本性的改变,但其他的想法会带来更多的打击。例如,也许宇宙的整体空间几何学毕竟不是平坦的,然而,一个非平坦的宇宙将是动态不稳定的,这将与CMB观测结果相矛盾,CMB观测结果显示宇宙必须非常接近于平坦,“今天宇宙几乎是平的,这是很不寻常的,“这很难理解,”辛肖说。

或者暗能量不是宇宙常数,而是由某种随时间变化的动力场引起的。普林指出,这样一个领域会有“奇怪”的性质,因为它不是随着宇宙的膨胀而稀释,而是相反。虽然普林说,这样一个领域“从理论角度来看并非绝对不可能,但人们对此并不放心。有点奇怪。”一个更激进的提议是,我们生活在一个密度异常低的宇宙区域。邓克利指出,许多宇宙学家反对这种观点:“与宇宙其他部分相比,我们的局部区域应该如此奇怪,这是没有意义的。”

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肉钩星系(NGC 2442)距离地球5500万光年。这张地面图像很好地显示了它的两个不对称旋臂。哈勃近距离观测研究了超新星2015F和143个造父变星,以在宇宙距离阶梯上的两个关键梯级之间建立联系。ESO

缓解争论

所有观察小组都对其方法和结果表示高度信任。幸运的是,与去年的哈勃争论不同,现代的差异并没有演变成个人的敌意或职业上的不尊重。相反,它激发了一种永不满足的欲望,想弄清一个深奥的谜底。对于观察家来说,这意味着进一步减少他们的错误,如果可能的话,减少到1%。这也意味着新的测量类型。例如,Freedman领导一个大型国际组织,该组织不久将使用距离阶梯法发布一个新的H0。但她的研究小组并没有将结果建立在造父变星上,而是利用哈勃望远镜观测遥远星系的光晕中最亮的红色巨星,这些星系在特定的最大亮度下被切断,通过在银河晕中进行观测,她的团队可以进行亮度测量,这些亮度测量较少受到背景恒星光线的污染,相比之下,造父变星是在拥挤的星系盘中发现的年轻恒星,在那里其他恒星对数据产生噪音,红巨星也是比造父变星更简单的物体,造父变星有复杂的动态大气,由于这些和其他原因,Freedman声称红巨星比造父变星更精确的距离指标,并且它们在数据中产生的散布更少。

到目前为止,她的团队已经测量了17个星系中的红巨星,它们还拥有超新星Ia型超新星,这一新方法提供了一个完全独立的,自上而下的Ia型超新星再校准,这很令人兴奋,”她说。大型测量望远镜将帮助天文学家精确地测量早期宇宙中的密度变化如何将自己印在星系的大规模分布上,这些被称为重子声波振荡的特征,将使科学家能够测量宇宙膨胀在宇宙中世纪是如何演变的,这反过来将有助于连接早期宇宙的CMB观测和现代宇宙的距离阶梯测量,邓克利目前正在与智利的阿塔卡马宇宙学望远镜合作,该望远镜正在对CMB的偏振进行详细测量。此结果将提供一个独立的H0测量。她说:“我们将能够将我们的数据添加到普朗克数据中,并进一步缩小来自CMB的哈勃常数的不确定性,然后看看它是否与本地常数更为不同,或者张力是否减小”。

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附近的一颗恒星使距拉塞塔4500万光年远的不规则星系NGC 7250黯然失色。作为2013dy和22个造父变星的宿主,NGC 7250在测量哈勃常数方面发挥了重要作用。ESA/Hubble & NASA

再往前走,LIGO和Virgo引力波探测器将自行测量H0。从2017年8月17日观测到的中子星合并事件来看,LIGO的科学家们测得的H0为70,但不确定度约为15%。一旦LIGO在未来十年中登记了几十个中子星合并,科学家们应该能够将它们校准为“标准数据”,并将H0控制在1%以内。现在,宇宙学家根据普朗克67.4的H0计算出宇宙有138亿年的历史。但如果H0实际上接近73,它可能会使宇宙年龄缩短数亿年,这取决于Lambda CDM需要做什么样的改变。更重要的是,哈勃张力的解决也可以照亮控制宇宙最终命运的暗能量。如果暗能量真的是爱因斯坦的宇宙学常数,宇宙将永远膨胀,并导致一场大寒战。但是一个动态的暗能量会变得如此强大,以至于它会把所有的物质撕成碎片。而根据辛肖的说法,“如果暗能量不稳定,它可能衰变为一种新的物质,并完全改变物理定律,结果难以预料。”欣肖说,如果观察者下降到1%的不确定性之后,紧张局势仍然存在,那么我们将有“非常的证据”表明紧张是真实的。这将需要改变Lambda CDM,这将是令人难以置信的兴奋。他总结道:“最好的情况是所有这些都成立,它将我们指向一个方向,最终让我们对黑暗宇宙——暗物质和暗能量有更多的了解,这将是非常棒的。”

前天空与望远镜主编罗伯特奈伊(Robert Naeye)在1995年至2000年担任天文学编辑。他是在美国两大天文学杂志编辑部工作过的两个人之一。

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