宇宙膨脹速度有多快?兩種方法得到兩種結果,第三種方法終於調和

我們都知道宇宙在膨脹,卻沒人知道宇宙膨脹速度有多快。不同的方法得出不同的結果,讓科學家非常尷尬…… 哈勃常數與暗能量

宇宙膨脹速度有多快?兩種方法得到兩種結果,第三種方法終於調和

(圖片說明:最偉大的天文學家之一埃德溫·哈勃)

1924年,美國天文學家埃德溫·哈勃向世人宣告,他證明了銀河系和宇宙不是相同的概念,在銀河系外還有大量的河外星系。5年後,在對河外星系的紅移進行觀測的過程中,哈勃得出了宇宙在膨脹的結論。哈勃還指出:星系遠離我們的速度和它們與地球的距離成正比,由此提出了著名的哈勃定律:退行速度=距離*哈勃常數。

時至今日,宇宙膨脹的說法已經深入人心。科學家還因此提出了宇宙大爆炸理論,認為宇宙誕生於138億年前,並且一直膨脹下去。

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(圖片說明:宇宙大爆炸)

可是,大爆炸宇宙論剛剛提出的時候,很多科學家提出了質疑:如果宇宙來自於一個奇點,它的體積如此之小,但質量如此之大,那麼在大爆炸的一瞬間就會在無限大的引力作用下收縮起來,根本不可能膨脹到今天這麼大。

後來,科學家提出了暗能量的說法,指出有一種人類未知的能量,不與任何可見物質發生反應,所以難以被觀測。但是,它卻可以為宇宙提供斥力,導致宇宙持續膨脹甚至很有可能在加速膨脹。根據標準宇宙模型,可見物質僅僅佔了宇宙總質量的4.9%,暗物質佔了26.8%,而暗能量佔了68.3%。正是在暗能量的作用下,我們的宇宙仍在不斷膨脹,絲毫沒有停止的跡象。

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(圖片說明:斯隆數字巡天繪製的星系地圖,其中包含120萬個星系)

更奇怪的是,當我們用不同的方法測量宇宙膨脹速度的時候,得到的結果竟然也不一樣。也就是說,科學家計算的哈勃常數有著較大的差異。那麼,問題究竟出在哪裡呢?

探測宇宙膨脹速度的方法

目前來說,有兩種“工具”經常被用來探測宇宙的膨脹速度,一個是星系的紅移,另一個是宇宙微波背景輻射。

紅移

這其實就是哈勃提出哈勃定律時的方法,也就是說,只要我們觀測到遙遠星系的距離,然後計算出它們的退行速度,就可以計算出哈勃常數。

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(圖片說明:哈勃太空望遠鏡拍攝到NGC 4526星系中超新星1994D的影象)

退行速度不難計算,透過紅移值就可以推導;至於星系的距離,科學家通常利用“宇宙標準燭光”——Ia型超新星來計算。這種超新星的特點就是亮度固定,只要看看它們的視覺效果,再和理論上的亮度對比進行換算,就能推匯出它的距離,這也是它所在的星系與我們的距離。

宇宙微波背景輻射

宇宙微波背景輻射是20世紀60年代四大天文發現之一,對於今天人類對於宇宙的研究有著重要的意義。我們通常稱之為宇宙大爆炸的餘輝,因為它就是在宇宙形成初期留下的。由於其溫度在3K左右,所以人們又稱之為3K背景輻射。

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(圖片說明:宇宙微波背景輻射)

但是,這個溫度並不是絕對一致的。在宇宙的不同位置,這個溫度也有著非常微小的變化,而這個波動幅度就是受到了宇宙膨脹速度的影響。透過歐洲航天局的普朗克衛星,我們計算出了宇宙的膨脹速度。

不同結果帶來的困惑

原本科學家希望這兩種毫不相關的方法得出相同的結果,從而互相驗證。然而令人尷尬的是,偏偏結果不遂人意,普朗克衛星給出的哈勃常數是67-68(km/s)/Mpc(Mpc:百萬秒差距,約合326萬光年),而Ia型超新星觀測給出的資料是71-75(km/s)/Mpc。

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(圖片說明:普朗克衛星)

由於以前的觀測不夠精確,科學家利用兩個方法計算出來的資料範圍都非常大,因此二者會有一些重疊。但隨著人類觀測能力不斷提升,兩種方法得出的資料越來越精確,竟然偏離了重疊部分,呈現出完全不同的兩個結果。這並不是說暗能量的假設是錯誤的,只是告訴我們:關於暗能量,還有很多我們完全未知的理論等待我們發現。

科學家指出:我們之所以面臨這個困境,就在於這兩種方法都是基於一些假設或者說理想情況下進行計算的。其中一個,就是科學家假設宇宙是平坦的。愛因斯坦告訴我們,空間並非是完全平坦的,而是在某些特殊情況下會發生扭曲。而普朗克衛星的資料也證明,宇宙中的確有一些區域會發生細微的扭曲。在經過這些區域的時候,Ia型超新星的光也會隨著空間的扭曲而出現輕微的偏折,這就有可能導致我們觀測資料的偏差。

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(圖片說明:在把重子聲波振盪考慮進去後,哈勃常數的數值比以往更加一致化了)

解決這個問題最好的辦法,就是尋找更多測量宇宙膨脹速度的方法來進行驗證,讓“公平的第三方”來判斷誰對誰錯。這個第三方,就是重子聲波振盪(BAO)。重子聲波振盪指的是宇宙形成初期光子和電子、重子等耦合形成一種“等離子體—光子”流體,經過一系列複雜過程導致的物質密度在不同區域的變化,最終形成了宇宙中密集的超星系團和這些超星系團之間巨大的空洞。而這些空洞,可以幫助我們計算哈勃常數。

最近,國外的一支科學團隊利用重子聲波振盪對一些星系團做了全面的觀測,發現了一些有趣的事情。

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觀測結果顯示,宇宙在這些空間上確實是平坦的。既然空洞的結構既取決於暗能量,也取決於空間的整體形狀,那麼在排除了宇宙曲率的因素之後,剩下的選擇自然就是最終的答案。這告訴我們:暗能量確實是存在的,毋庸置疑。而他們利用重子聲波振盪計算出來的哈勃常數,為70-74(km/s)/Mpc,這和此前科學家利用Ia型超新星計算的結果高度一致。

這不是說普朗克衛星的結果就是錯誤的,這次發現的有趣之處正在於此:剛才的那個資料來自於紅移值z

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