自上世紀(jì) 20 年代以來，美國天文學(xué)家哈德溫·哈勃的觀測讓科學(xué)家知道，宇宙在不斷膨脹。那么，宇宙的膨脹速度有多快——也即所謂的哈勃常數(shù)有多大呢?

　　哈勃常數(shù)是宇宙參數(shù)，在各種各樣的宇宙學(xué)計算中都扮演非常重要的角色，它決定了宇宙的絕對規(guī)模、大小和年齡，是我們量化宇宙演化最直接的工具之一。此外，它也與暗物質(zhì)、暗能量的屬性有關(guān)，而后兩者，是我們目前仍未揭示的宇宙幾大謎團中的兩個。

　　100 多年來，科學(xué)家分別借助對 Ia 型超新星和宇宙微波背景(CMB)的觀測，測出了兩個哈勃常數(shù)的值，但這兩個值并不一樣，這讓科學(xué)家們很迷惑?，F(xiàn)在，通過對紅巨星的研究，科學(xué)家又得出了一個新的哈勃常數(shù)值，新值介于上述兩者之間，令整個事件更加撲朔迷離。

　　兩個哈勃常數(shù)不一致

　　20 世紀(jì) 20 年代，哈勃(哈勃太空望遠鏡就是以他的名字命名)等人發(fā)現(xiàn)，宇宙正在膨脹——因為大多數(shù)星系離銀河系越來越遠，且距離銀河系越遠的星系，后退的速度也越快。星系遠離銀河系的速度和星系與銀河系的距離之間的比率大致恒定，這一比率被稱為哈勃常數(shù)。

　　經(jīng)過研究計算，哈勃發(fā)現(xiàn)，一個星系與地球的距離每增加百萬秒差距(Mpc，約 326 萬光年)，該星系遠離地球的速度就增加 500 公里/秒，所以那時，哈勃測出的哈勃常數(shù)值為 500 公里/秒/百萬秒差距(km/s/Mpc)。

　　幾十年來，隨著測量技術(shù)的不斷改進，天文學(xué)家大幅下調(diào)了哈勃常數(shù)的估算值。20 世紀(jì) 90 年代，弗里德曼率先使用哈勃太空望遠鏡來測量哈勃常數(shù)，計算出的值約為 72 公 km/s/Mpc，誤差范圍不到 10%。此后，由約翰霍普金斯大學(xué)諾貝爾獎獲得者亞當(dāng)·里斯領(lǐng)導(dǎo)的團隊測得了迄今最精確的值——74km/s/Mpc，誤差率僅為 1.91%。

　　測量哈勃常數(shù)的難點在于可靠地測量星系的距離。在上述測量方法中，研究人員主要是借助對造父變星和 Ia 型超新星的運動進行測算，得出了星系的距離，從而計算出了哈勃常數(shù)的數(shù)值。

　　造父變星是一類特殊的恒星，其亮度變化周期與自身光度直接相關(guān)，因而可用于測量星系等的距離。而 Ia 型超新星則是一類爆發(fā)的恒星，其亮度基本恒定，所以二者在天文學(xué)上均被當(dāng)作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，用于計算遙遠星系的距離。在里斯的研究中，他們對約 2400 顆造父變星和約 300 顆 Ia 型超新星的運動進行了測算。

　　除了上述方法，參與歐洲航天局普朗克任務(wù)的科學(xué)家也借助對宇宙微波背景的觀測，計算出了新的哈勃常數(shù)值：67.8km/s/Mpc。

　　里斯測得的 74km/s/Mpc 比由普朗克衛(wèi)星測得的 67.8km/s/Mpc 高出9%。哈勃常數(shù)的倒數(shù)與宇宙的年齡直接相關(guān)——哈勃常數(shù)數(shù)值越大，宇宙的年齡就越小。如果我們接受哈勃常數(shù)為里斯所測得的值，其比之前測得的要高出9%，那么由它推測出的將是一個年輕約 10 億年的宇宙。

　　或與暗能量有關(guān)

　　據(jù)英國《科學(xué)新聞》雜志網(wǎng)站 7 月 17 日報道，對此差異，里斯提出了一些可能的解釋。一種可能是，促使宇宙加速膨脹的暗能量可能會以更大的力或者越來越大的力把星系推離，這意味著宇宙膨脹的加速度本身在宇宙中沒有恒定值，而是隨著時間變化。里斯憑 1998 年發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹與他人共享諾貝爾獎。

　　另一種可能性是，宇宙中存在一種新的亞原子粒子，其速度接近光速。這種快速粒子被統(tǒng)稱為“暗輻射”，包括一種名為“惰性中微子”的粒子。與受亞原子力相互作用影響的正常中微子不同，這種新粒子只受重力影響。

　　還有一種更有吸引力的解釋認(rèn)為，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的作用比現(xiàn)在我們認(rèn)為的更強烈。其中任何一種情況都會改變現(xiàn)有的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。該模型描述了一個包含宇宙學(xué)常數(shù)Λ和暗能量、冷暗物質(zhì)(CDM)的宇宙，是目前最簡單的模型，可以很好地解釋微波背景輻射的存在及其結(jié)構(gòu)、大尺度結(jié)構(gòu)中星系的分布、元素豐度、宇宙加速膨脹等觀測結(jié)果。

　　目前，科學(xué)家正在尋找解決辦法，希望對宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型進行修改，使其能解釋哈勃常數(shù)兩個值不兼容的問題。

　　紅巨星被選作新的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”

　　問題還未解決時，科學(xué)家的另一條測量路徑，讓整個事件更加撲朔迷離。

　　芝加哥大學(xué)天文學(xué)家溫迪·弗里德曼領(lǐng)導(dǎo)的團隊更新了哈勃測量方法中的一個關(guān)鍵要素——使用紅巨星而非造父變星作為宇宙“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，得到了 69.8km/s/Mpc 的值。

　　科學(xué)家一直試圖找到比造父變星更好的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，因為造父變星往往存在于擁擠且充滿灰塵的區(qū)域，這可能會使對其亮度的估計發(fā)生扭曲。為此，弗里德曼和同事避開了造父變星，使用紅巨星作為測量更遙遠星系的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

　　紅巨星比造父變星更常見，在星系周邊區(qū)域很容易發(fā)現(xiàn)，在這些區(qū)域，恒星彼此隔離，灰塵不是問題。紅巨星的亮度變化很大，但作為一個整體，一個星系內(nèi)的紅巨星群擁有一個獨特而明顯的特征：這些恒星的亮度會在數(shù)百萬年間增加，直到達到最大值，然后突然下降。當(dāng)天文學(xué)家根據(jù)顏色和亮度繪制一大群恒星時，紅巨星看起來像一團擁有明顯邊緣的圓點，身處邊緣的恒星可以作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

　　弗里德曼團隊使用該技術(shù)計算了 18 個星系到地球的距離，并獲得了最新的哈勃常數(shù)估計值。

　　芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家洛基·科爾布說，隨著有關(guān)紅巨星的數(shù)據(jù)不斷積累，技術(shù)的精確度將提高，紅巨星可能在不久的將來擊敗造父變星，成為廣受歡迎的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

　　盡管如此，里斯說，這項紅巨星研究仍然跟星系中的塵埃數(shù)量，尤其是大麥哲倫星云中的塵埃數(shù)量有關(guān)。他說：“塵埃很難估計，這可能也是造成這兩個哈勃常數(shù)值偏低的原因。”

　　弗里德曼在接受《自然》雜志采訪時說：“現(xiàn)在，我們正試圖解釋這一切。如果宇宙膨脹速度之間的差異沒有解決，那么，可能意味著天文學(xué)家用來解釋其數(shù)據(jù)的一些基本理論——如關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)的假設(shè)可能是錯誤的。”
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