作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2017/3/13 9:56:52
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哈勃常数之争 宇宙膨胀研究引领物理学新方向

图片来源:Keith Vanderlinde

我认为在标准宇宙论模型中,有一些是我们尚未搞清的。

上世纪90年代初,美国加州卡内基天文台的工作人员都在欢庆圣诞节。Wendy Freedman仍独自一人在图书馆钻研一个棘手问题:宇宙的膨胀速度。

不过,Freedman的安静很快便被天文学家Allan Sandage的闯入打破了。Sandage一直是宇宙缓慢膨胀论的支持者,而Freedman的最新研究却驳斥了这一理论。

“他非常生气。”现就职于芝加哥大学的Freedman回忆道,“我意识到这座建筑里就只有我们俩个人,于是后退了一步,他看上去并不友好。”

微小误差

在公认的宇宙论模型中,宇宙的进化主要依赖于暗物质与暗能量之间的竞争作用。暗物质的引力倾向于减缓宇宙膨胀,而暗能量则在相反的方向推动并使宇宙加速膨胀。但基于若干天文台的测量,宇宙学家得以预测年轻宇宙将如何进化,包括在历史的任意时间节点上膨胀得有多快。多年来,这些预测同针对当前宇宙膨胀速度的直接测量结果(被称为哈勃常数)并不一致。

哈勃常数得名于发现了宇宙在不断膨胀的卡内基天文台天文学家Edwin Hubble。而通过观测附近星系以多快的速度远离银河系,利用被称为“标准烛光”的已知恒星固有亮度,科学家便能计算出哈勃常数。

2001年,主持对哈勃常数第一次精密测量的Freedman报告的哈勃常数值为72±8。Freedman认为,标准烛光自身在精密测量时就是不可靠的,该团队正在研究基于一种不同类型恒星的替代方法。

研究者还基于宇宙微波背景辐射(CMB)图进行了测算。许多科学家认为暗物质和暗能量的相对贡献来自于宇宙大爆炸后遗留的辐射,即CMB。欧洲空间局普朗克天文台于近几年完成了对其的详细描绘,从本质上看是年轻宇宙在约40万年时的一幅肖像。

通过预测宇宙中能量和物质的相互牵引,科学家矫正了哈勃常数,但结果与之前的并不匹配。这意味着有一个错了。两方均在用自己的方法寻找缺陷在何处,并争相发表测量结果。“我们不知道未来会怎样。”Freedman说。

但如果争论持续下去,将割裂现代宇宙学的天空。它还意味着现代理论丢失了一些能调节现在和过去的要素。“我认为在标准宇宙论模型中有一些是我们尚未搞清的。”美国约翰斯·霍普金斯大学天体物理学家Adam Riess说。上世纪末,Riess发现了暗能量,而且,其早期观测认为,暗能量的强度在宇宙的整个历史中都是恒定的。

去年,Riess的团队利用哈勃空间望远镜数百小时的观测时间研究了来自18个星系的两种标准烛光。由此测量的常数的不确定性为2.4%,低于之前3.3%的最好结果,并发现宇宙膨胀速度大约比基于普朗克数据的预测值快了8%。

这一理论引起了轩然大波,如果属实,那么新哈勃常数显然和2013年普朗克天文台从大爆炸残留辐射的相关数据中推断出的67不符。后者更低,代表膨胀速度更慢。

现在,该团队不仅追求精确哈勃常数,而且还希望对其进行完善,并弄清其是否随时间而变化。如果新测量的哈勃常数和由普朗克团队早期测量的结果都是准确的,那么标准模型就需要进行一些修改。一种可能性是构成暗物质的基本粒子具有不同于当前理论的属性,这将影响早期宇宙的进化。另一种选择是暗能量并非亘古不变的,而是在最近时期变得越来越强。但Riess至今仍没有什么线索。

找出答案

哈勃常数的发现可以追溯到上世纪20年代。当时,Hubble发现,星系看起来都在离人们远去,且距离越远,远离的速度越快。一直以来,天文学家都认为宇宙是静止的,而这一观点认为宇宙是在膨胀的。之后,Hubble还发现宇宙膨胀的速率是一个常数。

为了找出宇宙膨胀率,Hubble需要星系的准确间距,而不只是基于视亮度的相对数值。于是,他提出了“标准烛光”概念。1929年,Hubble应用造父变星和星系中的最亮星标定距离,提出银河外星系的视向速度与距离成比例,并给出速度—距离比值为500。数年后,Hubble等人第二次测定值为558,随后又订正为526。

直到现在,许多天文学家用多种方法测定了哈勃常数,但所得的数值存在较大差距。1949年,Hubble 将接力棒交到了Sandage手中。借助卡内基天文台的更高分辨率和更大聚光能力,Sandage找出了更远星系中的造父变星。到上世纪80年代,Sandage推算出的数值约为50。后来,法国天文学家Gérard de Vaucouleurs提出哈勃常数应为100。

而当时从与Sandage的争论中脱身的Freedman决定利用更强大的新工具:哈勃太空望远镜。这使得Freedman团队能找到比Sandage远10倍的造父变星。2001年,Freedman研究组将哈勃常数限制在72±8。这一结论终结了Sandage和De Vaucouleurs的争吵。紧接着,2003年,科学家使用人造卫星威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)测得的数值约为72。

不过,从那时起,天文学家测得的哈勃常数不断增大,而误差率则在不断缩小。Riess则使用哈勃太空望远镜的红外照相机得出最新的哈勃常数为73.24。同时,普朗克团队绘制了更高分辨率和温度敏感度的CMB图像,测算出结果为67.8。

“我想,这已经很难被解释为统计学误差了。”WMAP团队负责人、约翰斯·霍普金斯大学天天物理学家Chuck Bennett说。

新的起点

每一方都坚信自己是正确的。正如普朗克团队成员、英国剑桥大学宇宙学家George Efstathiou表示,普朗克的数据“绝对正确”。

也有人表示这些争论可能是某个大事件的开端。普林斯顿大学宇宙学家David Spergel称这个偏差“非常有趣”,但表示不相信这标志着出现了新的物理学。不过,芝加哥大学的Michael S. Turner则认为,如果这个差异是真实存在的,则可能会是一个取得大发现、新见解和突破的机会。

宇宙学家还希望使用塔卡马望远镜对相关结果进行修正。Riess等人认为,现代和原始的结果都需要进行调整,才能做到准确,因为普朗克只是间接地把哈勃常数作为标准宇宙模型多个参数中的一个进行了测量。

“哈勃常数将不会继续模棱两可。”普林斯顿大学天体物理学家Lyman Page说,理论学家有责任缩小各数值间的差异。

一个方案是向标准模型中增加额外的要素。CMB提供了对宇宙大爆炸后能量收支的总体预算。爱因斯坦等式E=mc2显示,能量能像物质一样,因此其重力会放慢宇宙的膨胀速度。但随着时间的逝去,辐射变冷且能量丧失,因此稀释了重力影响。

另一个则涉及中微子。目前已知有3种中微子,如果存在第4种,则意味着早期宇宙膨胀速度比预想得要快。

还有一个可能的因素是所谓的“幽灵暗能量”。当前的宇宙模型假设暗能量强度是一个常数。如果暗能量随时间的变化略微加强,将能解释为何当前宇宙膨胀速度加快。但普朗克团队的英国伦敦大学学院天体物理系Hiranya Peiris等批评者认为,可变的暗能量并不存在。

而Freedman认为解决争吵的唯一方法是以毒攻毒——利用新的观测数据。她和同事计划不利用造父变星进行校准,转而使用其他的变星和红巨星。他们将使用口径仅30厘米的自动望远镜研究附近星系,并借助哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜监控遥远星系。

(张章编译)

《中国科学报》 (2017-03-13 第3版 国际)
 
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