一項(xiàng)被寄予厚望的新技術(shù)未能解決有關(guān)宇宙膨脹速度的爭議——至少目前如此。

　　最近幾年來，關(guān)于宇宙膨脹速度的兩種最準(zhǔn)確的測量值存在相當(dāng)大的分歧。宇宙學(xué)家寄希望于一種獨(dú)立方法來解決這個(gè)問題，結(jié)果這種方法讓他們更迷茫了。

　　老年紅巨星是測量目前宇宙膨脹速度的一種新方法的焦點(diǎn)。

　　最新測量結(jié)果出自芝加哥大學(xué)天文學(xué)家Wendy Freedman領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，已于7月16日對外公布，即將發(fā)表在《天體物理學(xué)報(bào)》(Astrophysical Journal)上[1]。

　　Freedman團(tuán)隊(duì)展示了一種利用紅巨星來測量宇宙膨脹速度的技術(shù)。這種技術(shù)有望取代天文學(xué)家已經(jīng)使用了一個(gè)多世紀(jì)的方法。但是，目前它所測量出的宇宙膨脹速度無法解決上述分歧，因?yàn)樗湓诹藘蓚€(gè)本就互不一致的值中間。

　　“宇宙是在和我們開玩笑嘛?”一名天體物理學(xué)家對此發(fā)了這樣一條推特。

　　“我們現(xiàn)在正在試圖搞清楚這些到底該怎么整合起來。”Freedman對《自然》雜志說。如果無法解決宇宙膨脹速度的測量分歧，那可能意味著宇宙學(xué)家用來解讀數(shù)據(jù)的某些基礎(chǔ)理論是錯(cuò)的，例如對暗物質(zhì)性質(zhì)的假設(shè)。“基礎(chǔ)物理學(xué)上方高懸著達(dá)摩克利斯之劍。”Freedman說。

　　宇宙的測速儀

　　美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)等人于20世紀(jì)20年發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹。他們的依據(jù)是大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離銀河系——越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離速度越快。速度和距離的大致比率被稱為哈勃常數(shù)。哈勃發(fā)現(xiàn)，距離每多一百萬秒差距(大約326萬光年)，星系遠(yuǎn)離的速度就會(huì)增加500千米/秒，所以在“每百萬秒差距每秒千米”這個(gè)單位下，哈勃常數(shù)就是500。

　　在接下來的幾十年里，測量方法逐漸改進(jìn)，天文學(xué)家大幅下調(diào)了哈勃常數(shù)的估計(jì)值。Freedman于90年代率先使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡測量了哈勃常數(shù)，得到了72這一數(shù)字，誤差是正負(fù)10%。至今為止最精確的測量值為74，誤差僅有正負(fù)1.91%，是由約翰·霍普金斯大學(xué)的諾貝爾獎(jiǎng)得主Adam Riess帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)測出的[2]。

　　但是過去十年里的另一項(xiàng)獨(dú)立研究使事情變得更加錯(cuò)綜復(fù)雜。歐洲空間局“普朗克”計(jì)劃的科學(xué)家們繪制出了大爆炸的遺留輻射圖，即宇宙微波背景(CMB)，并用它來計(jì)算宇宙的基本性質(zhì)。依據(jù)關(guān)于宇宙的標(biāo)準(zhǔn)理論假設(shè)，他們計(jì)算出的哈勃常數(shù)為67.8。

　　67.8和74之間的差距看似不大，但是由于兩種方法均有所改進(jìn)，已經(jīng)產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)顯著性差異。因此，理論學(xué)家開始懷疑是不是宇宙的標(biāo)準(zhǔn)理論有問題。這個(gè)叫做ΛCDM的理論假設(shè)存在隱形的“暗物質(zhì)”粒子，以及神秘的斥力“暗能量”。但他們也沒能找到辦法來修正理論，使之能在和關(guān)于宇宙的其他一切觀察保持一致的前提下解決這個(gè)問題。

　　“從ΛCDM里找線索很困難。沒有什么調(diào)一調(diào)就能解決一切問題的竅門。”芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家Rocky Kolb說。

　　Freedman的最新測量法更新了哈勃測量法中的一個(gè)關(guān)鍵要素，最終得到了69.8這個(gè)值。

　　測量哈勃常數(shù)最大的難點(diǎn)在于可靠地測量星系之間的距離。哈勃最初的估算法基于對較近星系的距離的測量。為此，他觀察了一類被稱為“造父變星”的明亮恒星。天文學(xué)家Henrietta Swan Leavitt于二十世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)，這些恒星實(shí)際的亮度是可以預(yù)測的。因此，通過測量它們在照相版上顯示出的亮度，就可以計(jì)算出恒星有多遠(yuǎn)。天文學(xué)家把這種標(biāo)志性星體稱為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

　　自此之后，天文學(xué)家一直在嘗試尋找比造父變星更好的標(biāo)準(zhǔn)燭光，因?yàn)樵旄缸冃嵌啻嬖谟趽頂D、多塵的區(qū)域，導(dǎo)致對其亮度的估算產(chǎn)生誤差。“唯一的解決方案是發(fā)展一種獨(dú)立的測量法。至今為止我們從未檢驗(yàn)過造父變星測量法的精確度。”Freedman說。她職業(yè)生涯中的大多數(shù)時(shí)間都用來改進(jìn)該方法的精確度了。“她知道每一個(gè)天體藏在什么地方。”Kolb說。

　　Freedman和她的同事們完全繞過了造父變星，而選擇了紅巨星——已經(jīng)熄滅的老年恒星——作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，同時(shí)選擇超新星爆發(fā)作為更遠(yuǎn)的星系的指示牌。

　　巨星計(jì)算

　　紅巨星比造父變星要常見得多，很容易在星系的邊緣找到。在這些區(qū)域，恒星之間較為分散，也沒有宇宙塵的問題。紅巨星的亮度變化較大，但是當(dāng)我們考慮整個(gè)星系的全部紅巨星時(shí)，就有了一個(gè)很好用的特征。

　　紅巨星的亮度在數(shù)百萬年的時(shí)間里逐漸增加，達(dá)到最亮的那一刻后就會(huì)迅速變暗。如果天文學(xué)家把一大群星體的顏色和亮度畫到圖上，紅巨星會(huì)顯示成一片點(diǎn)云，并且有著明確的邊界。邊界上的星體就可以作為標(biāo)準(zhǔn)燭光。

　　Freedman團(tuán)隊(duì)使用這個(gè)方法計(jì)算了18個(gè)星系和我們之間的距離，對哈勃常數(shù)的估算首次達(dá)到了可以和造父變星法相媲美的精確度。

　　Riess說紅巨星法仍然需要對星系中宇宙塵的含量進(jìn)行一定假設(shè)，特別是大麥哲倫星云——這次研究中的一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。他說“宇宙塵很難估算。我認(rèn)為肯定會(huì)有很多人討論”作者的研究方法為什么會(huì)推出一個(gè)較低的哈勃常數(shù)值。

　　Freedman團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果和“普朗克”的數(shù)據(jù)以及Riess的造父變星計(jì)算結(jié)果在統(tǒng)計(jì)上是相容的，也就是說誤差范圍有所重疊，而隨著紅巨星數(shù)據(jù)逐漸積累增加，這個(gè)方法的準(zhǔn)確度也會(huì)相應(yīng)提高。很快就可能會(huì)超過造父變星法，Kolb說。

　　紅巨星法的測量值可能會(huì)向另兩種測量方法的結(jié)果之一偏移，或者可能會(huì)保持不變，而另兩種測量方法的結(jié)果向它靠近。但是就目前而言，宇宙學(xué)家還有很多謎題要解答。
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