有關(guān)哈勃常數(shù)的新證據(jù)

張慧杰

天文學(xué)家使用美國(guó)航空航天局的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙膨脹率（即宇宙的膨脹速度。理論物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦于1915年創(chuàng)立廣義相對(duì)論的時(shí)候就認(rèn)識(shí)到，他的學(xué)說(shuō)將會(huì)得出一個(gè)震撼人心的預(yù)言——宇宙在膨脹。當(dāng)時(shí)，大多數(shù)天文學(xué)家都認(rèn)為宇宙一直是那樣的，它不會(huì)隨時(shí)間改變）做了最精確的測(cè)量，與首次計(jì)算間隔近一個(gè)世紀(jì)。有趣的是，這次的測(cè)量結(jié)果迫使天文學(xué)家相信，宇宙中可能有令人意想不到的事情在發(fā)生作用。

這是因?yàn)椤肮弊罱陌l(fā)現(xiàn)證實(shí)了一種令人不安的差異：宇宙現(xiàn)在的膨脹速度比根據(jù)大爆炸發(fā)生不久之后其軌道數(shù)據(jù)估算的要快。研究人員認(rèn)為，會(huì)有新的物理學(xué)假設(shè)解釋這種差異。

美國(guó)馬里蘭州巴爾的摩市空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所和約翰·霍普金斯大學(xué)首席研究員、諾貝爾獎(jiǎng)得主亞當(dāng)·里斯說(shuō)，“天文學(xué)界正在努力理解該差異的含義”。

里斯的同事斯特凡諾·卡塞爾塔諾畢業(yè)于約翰·霍普金斯大學(xué)，也是空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的一名成員。在過(guò)去的6年里，他一直以恒星作為里程標(biāo)志，致力用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡來(lái)精確測(cè)量星系間的距離。這些測(cè)量用于計(jì)算宇宙隨時(shí)間的膨脹速度，該數(shù)值被稱(chēng)為哈勃常數(shù)。相較于之前哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)的最新研究將分析的整個(gè)恒星數(shù)量增加到原來(lái)的10倍之多。

然而，里斯所測(cè)數(shù)值鞏固了宇宙大爆炸37.8萬(wàn)年后早期宇宙膨脹得出的預(yù)期值的差異。宇宙大爆炸大約發(fā)生于138億年前，這次爆炸形成了我們現(xiàn)在的宇宙。這些數(shù)據(jù)是歐洲空間局普朗克衛(wèi)星的測(cè)量結(jié)果，用這些結(jié)果繪制成了宇宙微波背景圖，即宇宙大爆炸殘留物。這兩個(gè)值相差約9%。“哈勃”新的測(cè)量結(jié)果能將數(shù)值差異的概率降低至大約1/5000。

據(jù)普朗克衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果，哈勃常數(shù)應(yīng)當(dāng)是67（千米/秒）/百萬(wàn)秒差距（330萬(wàn)光年），不高于69（千米/秒）/百萬(wàn)秒差距。這意味著距離我們330萬(wàn)光年的星系，其飛高速度每秒要快67千米。但里斯團(tuán)隊(duì)所測(cè)的數(shù)值為73（千米/秒）/百萬(wàn)秒差距，這表明星系的移動(dòng)速度比早期宇宙觀測(cè)暗示的速度更快。

“哈勃”所測(cè)數(shù)據(jù)非常精確，所以天文學(xué)家無(wú)法忽視這兩種結(jié)果之間的差異，也不能認(rèn)為其中一次測(cè)量的方法有誤。里斯解釋說(shuō)：“兩種結(jié)果都經(jīng)過(guò)了多方面的驗(yàn)證，所以排除了一系列沒(méi)有關(guān)聯(lián)的錯(cuò)誤。這越來(lái)越有可能說(shuō)明這一現(xiàn)象不是一個(gè)錯(cuò)誤，而是宇宙的一個(gè)特性?！?h3>解釋一個(gè)令人苦惱的差異

對(duì)此差異，里斯提出了一些可能的解釋?zhuān)@些解釋都與處于黑暗中的95%的宇宙有關(guān)。一種可能是，暗能量（已知它是增加宇宙膨脹速度的能量形式）可能會(huì)用更大的力或者越來(lái)越大的力把星系推離。這意味著加速度本身在宇宙中沒(méi)有恒定值，而是隨著時(shí)間變化。里斯憑1998年發(fā)現(xiàn)的宇宙加速膨脹與他人共享諾貝爾獎(jiǎng)。

另一個(gè)可能是，宇宙中存在一種新的亞原子粒子，它的運(yùn)行速度接近光速。這種快速粒子被統(tǒng)稱(chēng)為“暗輻射”，包括先前已知的粒子，如中微子，它們是在核聚變和放射性衰變中產(chǎn)生的粒子。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，被稱(chēng)為“惰性中微子”。

還有一個(gè)更有吸引力的解釋?zhuān)J(rèn)為相較之前的假設(shè)而言，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)或輻射的作用更強(qiáng)烈。

其中任何一種情況都會(huì)改變有關(guān)早期宇宙的理論，導(dǎo)致理論模型不一致，并導(dǎo)致從早期宇宙觀測(cè)推斷出的哈勃常數(shù)出現(xiàn)誤差。

對(duì)于這個(gè)令人苦惱的問(wèn)題，里斯及其同事還沒(méi)有任何答案，但是他的團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)致力精確哈勃常數(shù)，以便更好地探索宇宙。截至目前，里斯團(tuán)隊(duì)已將不確定性降低至2.3%。

構(gòu)建宇宙距離尺度

天文學(xué)家用宇宙距離尺度來(lái)測(cè)量地球與各星系的精確距離。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)精簡(jiǎn)和強(qiáng)化宇宙距離尺度階梯的構(gòu)建，成功地完善了哈勃常數(shù)。研究人員利用退行星系的延伸光線(xiàn)來(lái)測(cè)量宇宙擴(kuò)張，并將此與地球和星系的精確距離進(jìn)行對(duì)比。之后，他們使用了每段距離上星系的表面速度來(lái)計(jì)算哈勃常數(shù)。

但是天文學(xué)家不能使用卷尺來(lái)測(cè)量星系間的距離。所以，他們選擇特殊類(lèi)別的恒星和超新星作為宇宙標(biāo)準(zhǔn)或里程標(biāo)志，來(lái)精確測(cè)量銀河系距離。

對(duì)較短距離測(cè)量而言，最準(zhǔn)確的是造父變星、脈動(dòng)星，它們按其固有亮度的速率變亮和變暗。因此，可以通過(guò)對(duì)比其固有亮度和從地球上看到的亮度來(lái)推斷它們的距離。

亨麗愛(ài)塔·勒維特是首位發(fā)現(xiàn)造父變星能測(cè)量距離的天文學(xué)家。1913年，勒維特發(fā)現(xiàn)使用視差這一基本幾何工具，在不受亮度影響的條件下可以測(cè)量造父變星的距離。視差是觀測(cè)者改變觀測(cè)角度造成的明顯的位置移動(dòng)。該技術(shù)是古希臘人的發(fā)明，用來(lái)測(cè)量從地球到月球的距離。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的最新觀測(cè)結(jié)果以我們對(duì)銀河系中8顆新研究的造父變星的測(cè)量視差為基礎(chǔ)。這些恒星比以往研究中的任何恒星都要遠(yuǎn)10倍左右，距地球6000光年至12000光年，這使得對(duì)它們的測(cè)量更具挑戰(zhàn)性。

掃描恒星

由于地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行，為了測(cè)量哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的視差，該團(tuán)隊(duì)必須測(cè)量造父變星的輕微搖擺。這些搖擺僅為望遠(yuǎn)鏡單個(gè)像素的1%，大約相當(dāng)于161千米外一粒沙子的大小。

因此，為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，天文學(xué)家研究出了一種巧妙的辦法，即讓望遠(yuǎn)鏡持續(xù)4年、每6個(gè)月測(cè)量一次恒星的位置，測(cè)量頻率為每分鐘1000次。

該團(tuán)隊(duì)校準(zhǔn)了8顆緩慢的脈動(dòng)星的亮度，將它們與其他較遠(yuǎn)距離的恒星關(guān)聯(lián)，來(lái)提高距離尺度的準(zhǔn)確性。然后，研究人員比較了這些星系中的造父變星和超新星的亮度，以便更準(zhǔn)確地測(cè)量恒星的真實(shí)亮度，從而更精確地計(jì)算距離較遠(yuǎn)的數(shù)百顆超新星的距離。

該研究還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：團(tuán)隊(duì)使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡第三代廣域照相機(jī)來(lái)校準(zhǔn)附近造父變星和其他星系中造父變星的亮度，從而消除了系統(tǒng)誤差。

卡塞爾塔諾說(shuō)：“通常情況下，如果你每隔6個(gè)月測(cè)量一顆恒星相對(duì)于另一顆恒星的距離變化，那么你會(huì)受制于自身能力，無(wú)法測(cè)量恒星的精確位置?！薄笆褂眠@個(gè)新技術(shù)，可以多次測(cè)量由于視差產(chǎn)生的極小位移?！崩锼寡a(bǔ)充說(shuō)，“這時(shí)你正在測(cè)量?jī)深w恒星之間的距離，不僅是在相機(jī)上的某個(gè)位置進(jìn)行，而是經(jīng)過(guò)上千次的努力來(lái)降低測(cè)量錯(cuò)誤?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是，通過(guò)使用來(lái)自“哈勃”和歐洲空間局的蓋亞空間天文臺(tái)數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)一步降低不確定性，以前所未有的精確度測(cè)量恒星的位置和距離?？ㄈ麪査Z說(shuō)：“該精準(zhǔn)度是找出差異原因的關(guān)鍵。”

這些是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像，選定了19個(gè)星系中的2個(gè)進(jìn)行研究，來(lái)提高宇宙膨脹率的準(zhǔn)確度。該值被稱(chēng)為哈勃常數(shù)。該彩色合成圖像分別顯示了距地球6500萬(wàn)光年和1.18億光年的NGC 3972（左）和NGC 1015（右）。每個(gè)星系中的黃色圓圈代表名為造父變星的脈動(dòng)恒星的位置。

插圖演示了天文學(xué)家精準(zhǔn)測(cè)量宇宙膨脹率（哈勃常數(shù)）的三個(gè)步驟，可將不確定度降低到2.3%。這些測(cè)量簡(jiǎn)化或強(qiáng)化了宇宙距離尺度的結(jié)構(gòu)，可以用來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量地球到各星系的距離。相較于之前哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果，最新研究將其分析的整個(gè)星球中造父變星的數(shù)量增加到原來(lái)的10倍。造父變星是一類(lèi)高光度周期性脈動(dòng)變星，它的光變周期（即亮度變化一周的時(shí)間）與它的光度成正比，因此可用于測(cè)量星際和星系際的距離。