宇宙也許比我們以為的年輕

宇宙的年齡對(duì)人類來說是一個(gè)至關(guān)重要的問題，一項(xiàng)最新研究認(rèn)為宇宙的年齡約為125億年，比曾經(jīng)公認(rèn)的138億年年輕13億年。兩個(gè)數(shù)據(jù)的差異也許說明我們目前對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)仍然非常粗淺。

南方周末特約撰稿 鞠強(qiáng)

在人類認(rèn)識(shí)宇宙的過程中，確定宇宙的年齡也許是一項(xiàng)值得驕傲的成就?？茖W(xué)家手邊并沒有現(xiàn)成的“宇宙鐘”來指示時(shí)間，他們只能去尋找?guī)в杏钪婺挲g信息的蛛絲馬跡。目前科學(xué)家估算出宇宙的年齡為138億年左右，這個(gè)公認(rèn)的結(jié)果也已經(jīng)廣為人知。但是一項(xiàng)最新研究卻動(dòng)搖了這個(gè)結(jié)論，該研究認(rèn)為宇宙可能要比我們?cè)?jīng)認(rèn)為的“年輕”13億年。

這項(xiàng)研究由供職于美國(guó)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)中心（STScI）和約翰霍普金斯大學(xué)的天體物理學(xué)家、2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）領(lǐng)導(dǎo)。他的團(tuán)隊(duì)于2019年5月在《天體物理學(xué)雜志》（TheAstrophysical Journal）上發(fā)表論文，宣布他們通過使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出宇宙膨脹的速度比此前的估計(jì)要快9%。由此導(dǎo)致根據(jù)宇宙膨脹速度計(jì)算出的宇宙年齡也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最新估算的宇宙年齡為125億年。

不過，里斯等科學(xué)家同時(shí)指出，兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的差異也許說明了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)仍然非常粗淺，還需要進(jìn)一步的研究才能正確理解兩個(gè)值的意義，從而找到洞察宇宙的關(guān)鍵拼圖。

加速膨脹的宇宙

在里斯領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究中，他們并不是找到了一種特殊的“鐘表”可以去直接測(cè)量宇宙的年齡，而是通過對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量來間接推算宇宙的年齡。因此，精確測(cè)量哈勃常數(shù)是正確估算宇宙年齡的關(guān)鍵。

哈勃常數(shù)以美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名。1929年，哈勃在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表了一篇論文，宣布他發(fā)現(xiàn)星系距離地球越遠(yuǎn)，退行速度越快，即退行速度與距離成正比。這個(gè)規(guī)律后來被稱作哈勃定律，比例中的比值即為哈勃常數(shù)（H），哈勃當(dāng)時(shí)給出的比值為500。此后的研究證明，哈勃大大高估了這個(gè)數(shù)值。從這個(gè)規(guī)律出發(fā)，當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家歸納出宇宙在膨脹的結(jié)論。

20世紀(jì)40年代后期，喬治·伽莫夫（George Gamow）等人發(fā)展出宇宙大爆炸理論。20世紀(jì)60年代宇宙微波背景輻射被證實(shí)之后，宇宙從大爆炸開始經(jīng)過膨脹演化到今天，成為宇宙學(xué)的主流觀點(diǎn)。但是宇宙的膨脹究竟是加速、減速還是勻速進(jìn)行，當(dāng)時(shí)卻沒有確定的結(jié)論，而這直接影響宇宙未來的命運(yùn)。

20世紀(jì)80年代末90年代初，由索爾·珀?duì)栺R特（Saul Perlmutter）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組以及由布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和里斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組分別開始對(duì)遙遠(yuǎn)的Ia型超新星進(jìn)行觀測(cè)，以期探究宇宙膨脹的性質(zhì)。這些超新星可以作為測(cè)量宇宙中的距離的“標(biāo)尺”，而精確測(cè)距是回答宇宙如何膨脹的前提。1998年，兩個(gè)小組獨(dú)立發(fā)表了研究成果，均支持宇宙在加速膨脹的結(jié)論。2011年，三人因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。同時(shí)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)直接引發(fā)了對(duì)何種力量推動(dòng)宇宙加速膨脹的討論，導(dǎo)致科學(xué)家提出占宇宙組成70%的“暗能量”以解釋這種現(xiàn)象。

更加精確的測(cè)量

在研究宇宙膨脹時(shí)，里斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)就使用了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)Ia型超新星進(jìn)行觀測(cè)。這些超新星距離地球非常遙遠(yuǎn)，甚至達(dá)到100億光年以上，因此需要強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡才能進(jìn)行觀測(cè)，而于1990年發(fā)射升空的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡恰好能夠滿足觀測(cè)的需要。

在發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹之后，里斯于1999年從加州大學(xué)伯克利分校來到目前所在的機(jī)構(gòu)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)對(duì)宇宙膨脹的速率進(jìn)行研究。從2005年開始，他帶領(lǐng)一個(gè)名為SH0ES的團(tuán)隊(duì)使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)測(cè)量距離的方法進(jìn)行改進(jìn)，從而對(duì)哈勃常數(shù)的值進(jìn)行優(yōu)化。

擺在他和團(tuán)隊(duì)面前的難題仍是如何精確測(cè)量宇宙中的距離，從而計(jì)算出哈勃常數(shù)，這一次他們使用的“宇宙標(biāo)尺”是造父變星。這類恒星的亮度隨時(shí)間呈周期性變化，天文學(xué)家可以根據(jù)這種變化關(guān)系確定它們所在的星系與地球之間的距離。天文學(xué)家使用造父變星作為“標(biāo)尺”來測(cè)量宇宙中的距離已經(jīng)有一個(gè)世紀(jì)的歷史，但是測(cè)量造父變星是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，對(duì)大量造父變星進(jìn)行測(cè)量就更加困難。

為了解決這個(gè)問題，里斯的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新辦法，稱作DASH（Drift AndShift）。他們把哈勃望遠(yuǎn)鏡當(dāng)作一臺(tái)傻瓜相機(jī)，來給特別明亮的造父變星拍攝快照。這樣做的好處是不需要花費(fèi)時(shí)間來對(duì)造父變星進(jìn)行精確定向。研究團(tuán)隊(duì)中的科學(xué)家斯特法諾·卡塞爾塔諾（Stefano Casertano）在一篇發(fā)表于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）官網(wǎng)上的報(bào)道中表示，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡環(huán)繞地球一周需要90分鐘，當(dāng)它鎖定造父變星進(jìn)行精確定向時(shí)，它在一個(gè)周期內(nèi)只能觀測(cè)一顆造父變星。因此，他們改變策略，尋找彼此之間距離足夠近的一組造父變星，這樣在對(duì)它們進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)候，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就不需要再校準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡的指向。這些造父變星非常明亮，天文學(xué)家只需要觀測(cè)2秒鐘。這樣一來在望遠(yuǎn)鏡環(huán)繞地球運(yùn)行的每個(gè)周期內(nèi)，他們通過陀螺儀控制好望遠(yuǎn)鏡的指向，就可以觀測(cè)十幾顆造父變星。

與此同時(shí)，一個(gè)由來自智利、美國(guó)和歐洲的研究機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行一項(xiàng)名為“南洋杉計(jì)劃”（Araucaria Project）的觀測(cè)項(xiàng)目，他們希望對(duì)宇宙中的距離進(jìn)行精確測(cè)量和修正。2019年3月，其中一個(gè)由來自波蘭科學(xué)院哥白尼天文學(xué)中心教授格雷戈日·皮特任斯基（Grzegorz Pietrzyński）領(lǐng)導(dǎo)的小組在《自然》（Nature）上發(fā)表論文，宣布他們對(duì)地球與大麥哲倫云之間距離的最新測(cè)量值為大約161000光年，測(cè)量不確定度為1%。

里斯的團(tuán)隊(duì)將這個(gè)結(jié)果與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果結(jié)合起來，可以對(duì)造父變星的真實(shí)亮度進(jìn)行校準(zhǔn)。在這次發(fā)表的論文中，他們公布了對(duì)大麥哲倫云中的70顆造父變星的觀測(cè)結(jié)果。以此為基礎(chǔ)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)給出的哈勃常數(shù)的值為74km/s/Mpc。其中Mpc為百萬秒差距，是天文學(xué)家在宇宙尺度上使用的距離單位，1Mpc相當(dāng)于大約330萬光年。74km/s/Mpc這個(gè)結(jié)果表示的意思是，星系同我們之間的距離每多出330萬光年，這個(gè)星系遠(yuǎn)離我們的速度就要快出每秒74千米。

2018年7月，里斯團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)根據(jù)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和歐洲空間局（ESA）的蓋亞太空天文臺(tái)（Gaia）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，將哈勃常數(shù)的測(cè)量不確定度降低到2.2%。這一次，他們更進(jìn)一步，將測(cè)量不確定度降到1.9%，這也是迄今為止最為精確的測(cè)量。

差異從何而來

但是，隨著這個(gè)團(tuán)隊(duì)測(cè)量的精確度不斷提高，他們對(duì)哈勃常數(shù)的計(jì)算值與通過對(duì)早期宇宙膨脹的觀測(cè)而得來的預(yù)期值仍然存在明顯的差異，而后者的觀測(cè)是由歐洲空間局的普朗克衛(wèi)星（Planck satellite）完成的。它能夠?qū)τ钪嫖⒉ū尘拜椛溥M(jìn)行精確測(cè)量，也就是可以追溯宇宙大爆炸發(fā)生38萬年后的宇宙。

宇宙微波背景輻射是支持大爆炸理論的關(guān)鍵證據(jù)，其中蘊(yùn)含著關(guān)于宇宙起源和演化的重要信息，因此自從被發(fā)現(xiàn)以來就是天文學(xué)家研究的熱點(diǎn)。1989年，NASA的“宇宙背景探索者”衛(wèi)星（Cosmic Background Explorer，COBE）發(fā)射升空。這個(gè)由約翰·馬瑟（John Mather）和喬治·斯穆特（George Smoot）領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目幫助人類第一次精確測(cè)量了微波背景輻射譜，二人也因“對(duì)宇宙微波背景輻射和各向異性的研究”獲得了2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，NASA又于2001年發(fā)射了威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP），對(duì)宇宙微波背景輻射進(jìn)行了進(jìn)一步研究。2009年，ESA發(fā)射了普朗克衛(wèi)星。從2009年到2013年，普朗克衛(wèi)星對(duì)宇宙微波背景輻射進(jìn)行了到目前為止最為精確的測(cè)量。根據(jù)普朗克衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，天文學(xué)家計(jì)算出今天宇宙的哈勃常數(shù)值為67km/s/Mpc。

由此可見，使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和普朗克衛(wèi)星測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算出的哈勃常數(shù)存在顯著的差異。關(guān)于宇宙年齡和宇宙膨脹速度（即哈勃常數(shù)）之間的關(guān)系，我們可以簡(jiǎn)單理解為宇宙從誕生開始演化到目前的狀態(tài)，膨脹越快，所需時(shí)間越少。因此如果哈勃常數(shù)值為74而非67，那說明宇宙膨脹的速度比我們預(yù)期得更快，我們對(duì)宇宙年齡的估計(jì)值也要相應(yīng)地下調(diào)。

針對(duì)如何理解兩個(gè)不同的值，約翰·馬瑟在接受美聯(lián)社（AP）采訪時(shí)說道：“兩種不同的膨脹速率可以被歸結(jié)于兩點(diǎn)，一是我們尚未發(fā)現(xiàn)我們測(cè)量中的錯(cuò)誤，二是自然中存在我們尚未發(fā)現(xiàn)的東西?！?/p>

不過，里斯并不認(rèn)為現(xiàn)在的差異是人為錯(cuò)誤導(dǎo)致的。事實(shí)上，至少現(xiàn)在天文學(xué)家無法把兩個(gè)結(jié)果之間的差異歸咎于某次測(cè)量中的錯(cuò)誤或是某個(gè)方法上的不當(dāng)。兩個(gè)值都經(jīng)過了嚴(yán)格檢驗(yàn)。里斯表示：“我們正在測(cè)量的是在本質(zhì)上不同的東西，一個(gè)是測(cè)量今天的宇宙正在以多快的速度膨脹，另一個(gè)則是一種預(yù)測(cè)，依據(jù)是早期宇宙的物理機(jī)制。如果兩個(gè)值不相符的話，那就很有可能是我們?cè)谶B接兩個(gè)部分的宇宙學(xué)模型中遺漏了什么?！?/p>

在里斯等人發(fā)表的這篇論文中，他們也簡(jiǎn)要討論了目前一些可能的解釋。其中一種被稱作“早期暗能量”，也就是暗能量除了在宇宙最初的膨脹過程以及今天的加速膨脹過程中扮演重要角色外，在大爆炸開始之后不長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，暗能量同樣發(fā)揮著作用，這就使得宇宙的膨脹要快于天文學(xué)家此前的預(yù)測(cè)。里斯也認(rèn)為，早期暗能量的存在可以解釋哈勃常數(shù)兩個(gè)值之間的差異。另一種解釋是，宇宙中存在“暗輻射”，其中包括已知的中微子，弄清這些成分的相互作用也許可以彌合哈勃常數(shù)兩個(gè)值之間的差異。

面對(duì)這個(gè)棘手的問題，里斯目前也無法給出答案。他的團(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡來減少哈勃常數(shù)取值的不確定度，他們的目標(biāo)是降低到1%。這樣一來，天文學(xué)家會(huì)有更堅(jiān)實(shí)的依據(jù)來分析差異究竟從何而來。

宇宙的年齡對(duì)人類來說是一個(gè)至關(guān)重要的問題，這不僅關(guān)系到我們?cè)趺凑J(rèn)識(shí)宇宙，也關(guān)乎我們?nèi)绾慰创约涸谟钪嬷械奈恢谩?0年前，哈勃開辟了一條道路，使我們有機(jī)會(huì)回答這個(gè)問題。他曾經(jīng)嘗試過計(jì)算宇宙的年齡，但是由于他遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估了星系之間的距離，導(dǎo)致他計(jì)算出來的宇宙的年齡甚至小于地球的年齡。不過，也正是在不斷糾錯(cuò)的過程中，天文學(xué)家前赴后繼，正在越來越接近真正的答案。