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如果争论持续下去,将割裂现代宇宙学的天空

科学网  · 公众号  · 科学  · 2017-03-13 19:30

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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


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。

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