最新的哈勃測量顯示宇宙膨脹速度比預期還快，揭示可能存在新物理

文：娟娟

400多年前，伽利略用他的望遠鏡看見了月亮上的山脈、太陽的黑子，還有成百上千顆明亮的恆星，剎那間，宇宙里的東西遠遠多於人們的肉眼所見。今天，隨著科技的發展，有了越來越先進的望遠鏡，天文學家給我們帶來了一個燦爛多彩、廣袤深遠的宇宙圖景。

1848年發現的光的多普勒位移為天文學家提供了確定天體相對地球運動速度的工具。1929年美國天文學家埃德溫·哈勃發表了里程碑式的論文，他發現，星系的紅移隨著距離的增加而顯著地增加。所有的星系看上去都在遠離我們，越遠的速度越快。這一觀測結果暗示了可觀測的宇宙體積正在膨脹，這就是哈勃定律。

20世紀80年代，加州大學伯克利分校的幾位物理學家和研究生，組成了「伯克利超新星自動搜索」小組，他們想用超新星作為標準燭光，探測出宇宙膨脹減慢的速度（當時大部分科學家都認為，膨脹著的宇宙充滿物質，物質通過引力互相吸引，因此引力會使宇宙的膨脹減速）。20世紀90年代，一些天文學家也加入了觀測超新星的比賽，他們成立了一個名為「高紅移超新星搜尋」的小組，隨著工作的不斷進展，參與其中的天文機構和成員不斷擴大。通過一段時間的觀測，兩個互相競爭的小組最後得到了相同的答案，這個答案遠遠超出他們的預期，曾經，他們只想獲得宇宙膨脹減慢的證據，沒想到實際結論恰恰相反——宇宙正在加速膨脹。

用來描述宇宙膨脹速度的測量單位是哈勃常數（Hubble Constant）。近期，天文學家在《天體物理學雜誌》發表了新論文，他們通過使用哈勃太空望遠鏡對宇宙膨脹率（expansion rate of the universe）進行了迄今為止最精確的測量。有趣的是，新的測量結果迫使天文學家們不得不考慮一個新情況：他們可能看到了宇宙中某種意想不到的事情正在發生作用的證據。

圖：這些哈勃太空望遠鏡圖像顯示了在里斯的項目中所分析的19個星系中的兩個，該項目的目的是提高對宇宙膨脹率測量的精確度。彩色合成圖像顯示分別距地球6500萬光年和1.18億光年遠的星系NGC 3972（左）和NGC 1015（右）。每個星系中的黃色圓圈顯示的是該星系中的造父變星的位置。Credits: NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU)

這是因為新的測量結果與基於對早期宇宙的測量所作出的預測不相匹配，新發現顯示，現在宇宙膨脹的速度比預期的要快。研究者們認為，或許存在某些新物理（new physics）來解釋這種數值的差異。

研究團隊由諾貝爾獎得主Adam Riess（亞當·里斯）領導，他現在就職於太空望遠鏡科學研究所以及約翰霍普金斯大學。

在過去的6年中，里斯的團隊一直在使用哈勃太空望遠鏡改進對星系距離的測量。這些測量被用來計算隨著時間的推移，宇宙膨脹的速度有多快，這個值也就是哈勃常數。

此前，歐洲航天局的普朗克衛星對早期宇宙的膨脹進行了觀察，並繪製了宇宙微波背景（cosmic microwave background），科學家在此觀測基礎上對哈勃常數作出了預測。

里斯團隊得出哈勃常數的最新數值與基於普朗克衛星的測量得出的預測值之間的差值大約是9%。根據普朗克衛星得出的預測結果是，現在的哈勃常數應該是67千米每秒每百萬秒差距（1百萬秒差距=330萬光年），並且不會高於69千米每秒每百萬秒差距。這就是說，一個星系與我們之間每遠330萬光年的距離，這個星系遠離我們的速度就要快67千米每秒，並且這個值不會高於69千米每秒。但是里斯的團隊根據哈勃太空望遠鏡的測量情況得出的最新數值則是73千米每秒每百萬秒差距，表明星系遠離的速度比曾經預測的還要快。

哈勃望遠鏡的數據非常精確，使得天文學家無法將兩個數值之間的差異視為任何單一測量或方法中出現了錯誤。「這兩種結果都經過了多種測試，」里斯解釋到，「越來越有可能的是，這不是一個錯誤（bug），而是宇宙的一個特徵（feature）。」

圖：該圖顯示的是天文學家用來計算哈勃常數的3個步驟。Credits: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

如何解釋這個令人棘手的差異呢？

里斯概述了出現這種差異的幾種可能的解釋。一種可能性是使宇宙加速膨脹的暗能量，或許在用更大的或是增長的力量將星系彼此推離。這就意味著宇宙膨脹的加速度本身或許並不存在一個恆定的值——常數（constant value），而是在宇宙中隨著時間的推移發生著變化。

另一種可能性是，宇宙中包含著一種新的亞原子粒子（new subatomic particle），它運動的速度接近光速。這樣快速的粒子被統稱為暗輻射（dark radiation），它包括此前所知的粒子如中微子（它們是在核反應和放射性衰變中產生的）。不同於通過亞原子力產生相互作用的普通中微子，這種新的亞原子粒子只受重力影響，被稱為「惰性中微子」（sterile neutrino）。

第三種很吸引人的可能性則是，暗物質與普通物質或輻射之間的相互作用比此前認為的更加強烈。

上述三種可能性中的任何一種情況都會改變早期宇宙的內容，導致理論模型的不一致。這些不一致則會導致哈勃常數的不正確值。這個值將與哈勃望遠鏡觀測到的數據相矛盾。

里斯和他的同事們對這個棘手的問題沒有給出任何確切答案，但他的團隊將繼續工作下去，對宇宙膨脹率進行微調。

參考資料：

http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aaa5a9/meta

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/improved-hubble-yardstick-gives-fresh-evidence-for-new-physics-in-the-universe

http://www.newsweek.com/universe-expansion-hubble-space-telescope-817511?yptr=yahoo

https://www.space.com/25179-hubble-constant.html

http://www.sciencemag.org/news/2017/03/recharged-debate-over-speed-expansion-universe-could-lead-new-physics