宇宙膨脹到底有多快？最新測量結果讓科學家更困惑了
思惟常新者以天然為其靠得住之依據
導語：一項被寄予厚望的新手藝未能解決有關宇宙膨脹速度的爭議——至少今朝如斯。
比來幾年來，關于宇宙膨脹速度的兩種最精確的測量值存在半斤八兩大的不合。宇宙學家寄但愿于一種自力方式來解決這個問題，成果這種方式讓他們更蒼茫了。
老年紅巨星是測量今朝宇宙膨脹速度的一種新方式的核心。來歷：NASA/ESA/SPL?
最新測量成果出自芝加哥大學天文學家 Wendy Freedman 帶領的團隊，已于 7 月 16 日對外發布，即將頒發在《天體物理學報》（Astrophysical Journal）上【1】。
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Freedman 團隊展示了一種操縱紅巨星來測量宇宙膨脹速度的手藝。這種手藝有望代替天文學家已經利用了一個多宿世紀的方式。可是，今朝它所測量出的宇宙膨脹速度無法解決上述不合，因為它落在了兩個本就互紛歧致的值中心。
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“宇宙是在和我們惡作劇嘛？”一名天體物理學家對此發了這樣一條推特。
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“我們此刻正在試圖搞清晰這些到底該怎么整合起來。”Freedman 對《天然》雜志說。若是無法解決宇宙膨脹速度的測量不合，那可能意味著宇宙學家用來解讀數據的某些根本理論是錯的，例如對暗物質性質的假設。“根本物理學上方高懸著達摩克利斯之劍。”Freedman 說。
宇宙的測速儀
美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）等人于 20 宿世紀 20 年發現了宇宙正在膨脹。他們的依據是大大都星系都在遠離銀河系——越遠的星系遠離速度越快。速度和距離的大致比率被稱為哈勃常數。哈勃發現，距離每多一百萬秒差距（大約 326 萬光年），星系遠離的速度就會增添 500 千米 / 秒，所以在“每百萬秒差距每秒千米”這個單元下，哈勃常數就是 500。
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在接下來的幾十年里，測量方式逐漸改良，天文學家大幅下調了哈勃常數的估量值。Freedman 于 90 年月率先利用哈勃太空千里鏡測量了哈勃常數，獲得了 72 這一數字，誤差是正負 10%。至今為止最切確的測量值為 74，誤差僅有正負 1.91%，是由約翰·霍普金斯大學的諾貝爾獎得本家兒 Adam Riess 率領的團隊測出的【2】。
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可是曩昔十年里的另一項自力研究使工作變得加倍錯綜復雜。歐洲空間局“普朗克”打算的科學家們繪制出了大爆炸的遺留輻射圖，即宇宙微波布景（CMB），并用它來計較宇宙的根基性質。依據關于宇宙的尺度理論假設，他們計較出的哈勃常數為 67.8。
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67.8 和 74 之間的差距看似不大，可是因為兩種方式均有所改良，已經發生了統計顯著性差別。是以，理論學家起頭思疑是不是宇宙的尺度理論有問題。這個叫做ΛCDM 的理論假設存在隱形的“暗物質”粒子，以及神秘的斥力“暗能量”。但他們也沒能找到法子來批改理論，使之能在和關于宇宙的其他一切不雅察連結一致的前提下解決這個問題。
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“從ΛCDM 里找線索很堅苦。沒有什么調一調就能解決一切問題的竅門。”芝加哥大學的宇宙學家 Rocky Kolb 說。
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Freedman 的最新測量法更新了哈勃測量法中的一個關頭要素，最終獲得了 69.8 這個值。
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測量哈勃常數最大的難點在于靠得住地測量星系之間的距離。哈勃最初的估算法基于對較近星系的距離的測量。為此，他不雅察了一類被稱為“造父變星”的敞亮恒星。天文學家 Henrietta Swan Leavitt 于二十宿世紀初發現，這些恒星現實的亮度是可以展望的。是以，經由過程測量它們在拍照版上顯示出的亮度，就可以計較出恒星有多遠。天文學家把這種標記性星體稱為“尺度燭光”。
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自此之后，天文學家一向在測驗考試尋找比造父變星更好的尺度燭光，因為造父變星多存在于擁擠、多塵的區域，導致對其亮度的估算發生誤差。“獨一的解決方案是成長一種自力的測量法。至今為止我們從未查驗過造父變星測量法的切確度。”Freedman 說。她職業生活生計中的大大都時候都用來改良該方式的切確度了。“她知道每一個天體藏在什么處所。”Kolb 說。
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Freedman 和她的同事們完全繞過了造父變星，而選擇了紅巨星——已經熄滅的老年恒星——作為尺度燭光，同時選擇超新星爆爆發為更遠的星系的指示牌。
巨星計較
紅巨星比造父變星要常見得多，很輕易在星系的邊緣找到。在這些區域，恒星之間較為分離，也沒有宇宙塵的問題。紅巨星的亮度轉變較大，可是當我們考慮整個星系的全數紅巨星時，就有了一個很好用的特征。
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紅巨星的亮度在數百萬年的時候里逐漸增添，達到最亮的那一刻后就會敏捷變暗。若是天文學家把一大群星體的顏色和亮度畫到圖上，紅巨星會顯示當作一片點云，而且有著明白的鴻溝。鴻溝上的星體就可以作為尺度燭光。
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Freedman 團隊利用這個方式計較了 18 個星系和我們之間的距離，對哈勃常數的估算初次達到了可以和造父變星法相媲美的切確度。
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Riess 說紅巨星法仍然需要對星系中宇宙塵的含量進行必然假設，出格是大麥哲倫星云——此次研究中的一個基準點。他說“宇宙塵很難估算。我認為必定會有良多人會商”作者的研究方式為什么會推出一個較低的哈勃常數值。
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Freedman 團隊的研究成果和“普朗克”的數據以及 Riess 的造父變星計較成果在統計上是相容的，也就是說誤差規模有所重疊，而跟著紅巨星數據逐漸堆集增添，這個方式的精確度也會響應提高。很快就可能會跨越造父變星法，Kolb 說。
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紅巨星法的測量值可能會標的目的另兩種測量方式的成果之一偏移，或者可能會連結不變，而另兩種測量方式的成果標的目的它接近。可是就今朝而言，宇宙學家還有良多謎題要解答。
參考文獻：
1. Freedman, W. L. et al. Astrophys. J. (in the press).
2. Riess, A. G. et al. Preprint at (2019).
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原文發布在 2019 年 7 月 16 日《天然》新聞上，作者：Davide Castelvecchi
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Nature|doi:10.1038/d41586-019-02198-z
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- 發表于 2019-07-31 21:27
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