宇宙擴張速度究竟有多快?情況愈加撲朔迷離
2018年11月30日08:54
圖為蓋亞望遠鏡拍攝的最新星圖。
圖為蓋亞望遠鏡拍攝的最新星圖。

  11月30日消息,據國外媒體報導,利用不同方法測出的宇宙擴張速度也有所不同,因此有些理論學家猜測,我們對宇宙歷史或許存在重大誤解。

  這一現象名叫“哈勃爭議”(Hubble tension),是宇宙學的一大未解之謎。隨著圍繞該問題展開的猜測變得愈加撲朔迷離,有科學家試圖通過提出新觀點來解釋這一現象。

  “除了希格斯粒子之外,我們尚未做出任何新發現。”美國布魯克海文國家實驗室物理學家安澤•斯洛薩(Anže Slosar)表示,“任何新觀點都會令人激動。我們想看看人們可以從哪些方面提出新物理理論。”

  宇宙正在不斷擴張,星系之間的距離變得越來越遠。科學家用得名於天文學家埃德溫•哈勃(Edwin Hubble)的“哈勃常數”來描述宇宙擴張速度。目前,科學家有幾種測算哈勃常數的方法,但這些方法會得出兩種不同的常數值,這顯然相互矛盾。有些方法利用超新星和脈衝星發出的光線計算其距離變化,結果顯示,天體到地球的距離每增加326萬光年(即一百萬秒差距),遠離地球的速度會加快73公里/秒。而另一類方法利用早期宇宙發出的電磁波、即宇宙微波背景進行測量,得出的結果約為67公里/秒。

  這一差值不能僅用實驗誤差來解釋。如果不引入新的物理理論,任何解釋似乎都站不住腳。儘管如此,這兩個測算值之間的區別並未達到5西格瑪級實驗精確度,不足以說明兩個值之間存在重大出入。

  但事情的走向越來越令人摸不著頭腦。最近,參與“暗能量調查”(DES)的科學家們公佈的最新結果令局面顯得更加撲朔迷離。利用超新星進行測量,他們得出的哈勃常數為67.7(km/s)/Mpc,更接近利用宇宙微波背景算出的結果。

  你也許認為這一結果縮小了此前兩種結果之間的差距,因此會減少人們對這一問題的興趣。然而,就在“暗能量調查”的科學家們公佈結果後不久,兩支相互獨立的理論物理學家團隊分別發表了相關論文,試圖對“哈勃爭議”進行解答。兩者都提出,我們對宇宙早期歷史的理解需稍作調整。其中一篇論文試圖通過修改重組期(即大爆炸之後數十萬年、第一批中性氫原子開始形成的時期)的開始和結束時間,縮小兩種結果之間的差距。另一篇論文則引入了“早期暗能量”的概念,稱這種力曾在宇宙早期導致宇宙擴張,但在現代宇宙中已經不複存在。

  物理學家認為,宇宙擴張曾經曆了兩個階段:第一階段為膨脹期,緊接著宇宙大爆炸,宇宙在此期間經曆了快速擴張;第二階段就是目前所處的階段。但美國約翰•霍普金斯大學的薇薇安•普林(Vivian Poulin)指出:“我們認為,在宇宙歷史的某一個時期,或許也發生過與目前階段類似的情況。”

  這兩篇論文均尚未接受同行評審,仍處於初期階段。此外,這兩篇文章的發表時間距“暗能量調查”公佈結果的時間太近,還來不及引用該調查的結論。如果“暗能量調查”的結果得到證實,這兩篇論文的理論分析就毫無意義了。

  物理學家馬特•巴克利(Matt Buckley)並不認為“暗能量調查”的結論會降低科學家對這一爭議的興趣,並認為普林和斯洛薩等研究團隊提出的問題其實正中要點。但他也指出,任何新理論都必須與現有的全部數據相匹配。

  對“哈勃爭議”而言,提出新物理學理論肯定是最有趣的一種解決方法,但新的哈勃常數測量方法也許很快就會出現,既不利用近處天體的距離梯度,也不利用遠古時期的宇宙輻射。引力波或許值得一試。科學家可以將中子星相撞時發出的光線與引力波進行對比,並且已經用該方法得出了哈勃常數的估算值。不過,要利用這種方法算出可靠的哈勃常數,也許還要過10年左右。就目前而言,“哈勃爭議”仍是科學家的觀測重點,仍將持續吸引理論物理學家的注意力。

  “我們很想知道,該爭議是否存在簡單的解釋。從理論角度來看,這個問題變得越來越意思了,”普拉表示,“我們的興趣主要與目前不斷精進的實驗水平有關,而且人們對該問題的重視程度也在與日俱增。”(葉子)

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