膨脹宇宙的幾個未解之謎

翟向華

2003年，筆者曾寫過一篇“WMAP將要告訴我們什么？——談人類對宇宙演化的探索”。彼時，恰逢威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）發(fā)射兩周年，即將得到首批觀測數(shù)據(jù)，而距1998年發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹剛剛過去幾年，探索宇宙演化和命運(yùn)的新熱潮正如火如荼。如今，18年過去了，宇宙學(xué)研究上取得了哪些進(jìn)展和突破？還有哪些未決問題等待我們?nèi)ヌ剿?？讓我們一起來看看吧?/p>

WMAP告訴了我們什么？

1946年，伽莫夫（G. Gamow）提出大爆炸宇宙學(xué)時就預(yù)言了宇宙微波背景輻射（CMB），1964年彭齊亞斯（A.Penzias）和威爾遜（R. Wilson）無意中探測到了它的存在。CMB是大爆炸宇宙學(xué)的最確鑿證據(jù)，CMB溫度的任何微小變化都包含著關(guān)于宇宙早期結(jié)構(gòu)的重要信息。WMAP的目標(biāo)正是高精度地探測CMB的微小差異，它由美國宇航局（NASA）負(fù)責(zé)，于2001年6月30日發(fā)射升空，2010年10月28日結(jié)束運(yùn)行。WMAP通過測量整個天空中CMB溫度的微小差異，繪制出了年輕熾熱的宇宙在誕生后37.5萬年時的CMB圖像。WMAP的觀測有力地支持了大爆炸宇宙學(xué)，支持了宇宙早期的暴脹階段，也支持了宇宙在大尺度上的平坦性。圖1是WMAP團(tuán)隊繪制的宇宙演化示意圖。它測量出宇宙年齡為137.7億年，確定宇宙的組成是4.5%的普通重子物質(zhì)，22.7%的暗物質(zhì)，72.8%的暗能量。

圖1 宇宙演化示意圖。

WMAP開創(chuàng)了精確宇宙學(xué)時代。繼WMAP之后，歐洲空間局（ESA）于2009年發(fā)射了普朗克衛(wèi)星，其目標(biāo)與WMAP以及1989年發(fā)射的宇宙背景探索者衛(wèi)星（COBE）一樣，都是探測CMB的各向異性，但靈敏度不斷提高，普朗克衛(wèi)星的靈敏度達(dá)到了WMAP的10倍。圖2是普朗克衛(wèi)星繪制的CMB圖。它給出的宇宙年齡是138.2億年，確定的宇宙組分是：組成恒星和星系的正常物質(zhì)占宇宙能量密度的4.9%，暗物質(zhì)占26.8%，而暗能量占68.3%。

圖2 普朗克衛(wèi)星看到的宇宙微波背景，它包含了有關(guān)宇宙性質(zhì)和歷史的大量信息

從COBE到WMAP，再到普朗克，越來越精確的微波天空圖讓我們看到，我們的宇宙近乎完美地符合宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型：一個遵循宇宙學(xué)原理、空間曲率處處為零的膨脹宇宙。但是，對困擾我們已久的問題，比如暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)究竟是什么，我們?nèi)匀灰粺o所知。并且，CMB的測量結(jié)果還帶來一些新的問題，比如普朗克衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)給出的哈勃常數(shù)值明顯低于天文學(xué)上傳統(tǒng)的宇宙距離階梯方法給出的結(jié)果，這就是當(dāng)前的哈勃危機(jī)問題。這些都是令宇宙學(xué)家們絞盡腦汁的未解之謎。

暗物質(zhì)問題依舊

早在1933年，美國天體物理學(xué)家茲威基（F. Zwicky）在研究星系團(tuán)質(zhì)量的時候，推測星系團(tuán)的絕大部分質(zhì)量應(yīng)該是我們看不到的，即不發(fā)光的，因為他的觀測表明，僅靠看到的物質(zhì)不足以將星系團(tuán)中的星系束縛在一起。到了20世紀(jì)六七十年代，通過對各類星系旋轉(zhuǎn)曲線進(jìn)行測量，科學(xué)家們認(rèn)為，宇宙中必定存在我們看不到的物質(zhì)，為彌散于星系各處的氣體提供引力。20世紀(jì)80年代，正式確立了“暗物質(zhì)”這個名稱。

后來，越來越多的證據(jù)表明宇宙空間中存在大量的暗物質(zhì)。引力透鏡便是一個很好的證據(jù)。廣義相對論告訴我們，大質(zhì)量天體的引力可以引起光線的彎曲。來自遙遠(yuǎn)星系的光在經(jīng)過大質(zhì)量星系團(tuán)時會因引力而彎曲在其周圍，形成多重圖像，稱為“引力透鏡”效應(yīng)。理想情況下，作為透鏡的星系團(tuán)質(zhì)量是球?qū)ΨQ的，圖像應(yīng)該形成一個圓，稱為“愛因斯坦環(huán)”。圖3是由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的一個近乎完美的愛因斯坦環(huán)。高精度的引力透鏡實驗明確地告訴我們，星系團(tuán)中90%以上的質(zhì)量是暗物質(zhì)。除此之外，WMAP和普朗克衛(wèi)星對CMB的測量也明確地給出了暗物質(zhì)在宇宙中的含量。

所有的觀測都表明，暗物質(zhì)在宇宙中的存在是毫無疑問的。暗物質(zhì)和普通物質(zhì)一樣，是隨著宇宙大爆炸而產(chǎn)生的，它是宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型不可或缺的一部分。然而，它是什么？現(xiàn)在，物理學(xué)家普遍認(rèn)為暗物質(zhì)是某種產(chǎn)生于宇宙早期的未知的穩(wěn)定粒子，稱為大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）。主要的候選者是超對稱理論引進(jìn)的一類新粒子。倘若找到這種粒子，既能對暗物質(zhì)問題做出解答，也將是對粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的超越。

于是，近30年來，尋找暗物質(zhì)粒子成為國際粒子物理實驗的熱點之一。歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)是目前世界上最高能的對撞機(jī)，它一直在尋覓這些新粒子的信號。另外，還可以在地下的中微子觀測站和宇宙射線探測器中尋找這些新粒子，比如我國的“悟空”衛(wèi)星實驗。然而，直到目前，暗物質(zhì)粒子仍是蹤影難覓。

暗能量神秘如初

1929年，哈勃（E. Hubble）通過測量鄰近20多個星系光譜的多普勒頻移，發(fā)現(xiàn)來自星系的光呈現(xiàn)某種系統(tǒng)性的紅移，也就是說，幾乎所有的星系都正在遠(yuǎn)離我們而去，且退行速度和距離成正比，比例系數(shù)H0稱為哈勃常數(shù)。這一發(fā)現(xiàn)宣布了宇宙在膨脹，從而奠定了宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。隨著觀測手段的提高，人們對宇宙膨脹的認(rèn)識在不斷深入。20世紀(jì)90年代末期，兩個觀測團(tuán)隊在利用Ia型超新星觀測宇宙膨脹時，獨立地發(fā)現(xiàn)了宇宙正在加速膨脹，并因此獲頒了2011年的諾貝爾物理學(xué)獎。這個令人震驚的發(fā)現(xiàn)立刻引發(fā)了宇宙學(xué)的研究熱潮，宇宙學(xué)家特納（M. Turner）為這種導(dǎo)致宇宙加速的神秘力量取名為“暗能量”。

到底是什么提供了排斥作用，引起了宇宙的加速膨脹呢？20多年來，了解暗能量的本質(zhì)一直是宇宙學(xué)研究領(lǐng)域的熱點。理論學(xué)家們提出了暗能量的各種可能來源，包括宇宙學(xué)常數(shù)、精質(zhì)（quintessence）、幻影能量（phantom energy）、修正引力等等。而在實驗上，一方面，WMAP和普朗克衛(wèi)星對CMB的高精度觀測確認(rèn)了暗能量占到宇宙總能量的2/3以上；另一方面，引力波等多項實驗也對各種理論模型進(jìn)行了篩選?，F(xiàn)在看來，與實驗符合最好的暗能量可能來源是宇宙學(xué)常數(shù)。愛因斯坦為了得到當(dāng)時所認(rèn)可的靜態(tài)宇宙，在廣義相對論場方程中加入了宇宙學(xué)常數(shù)，后因哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹而棄之。誰會想到，宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)讓宇宙學(xué)常數(shù)在愛因斯坦時代的下一個世紀(jì)復(fù)活了呢？ 這是巧合還是冥冥之中愛因斯坦有著凡人無法企及的洞察力呢？

圖3 近乎完美的愛因斯坦環(huán)LRG 3-757

那么問題是，宇宙學(xué)常數(shù)的物理本質(zhì)是什么？物理學(xué)家將廣義相對論中的這個常數(shù)項和量子場的真空能聯(lián)系起來。1967年，澤爾多維奇（Y. Zeldovich）基于量子場論對真空能的預(yù)言計算了宇宙學(xué)常數(shù)值，發(fā)現(xiàn)與觀測相比，這個值太大了。當(dāng)前，宇宙學(xué)常數(shù)的理論值比測量值大120個數(shù)量級。幾十年來，這個棘手的問題還沒有一個站得住腳的解釋。

2013年開始運(yùn)行的國際合作“暗能量巡天”（DES）項目旨在尋找上述問題的答案。它以前所未有的精度，通過觀測宇宙的膨脹歷史和大尺度結(jié)構(gòu)來尋找引起宇宙加速膨脹的原因。從目前公布的數(shù)據(jù)分析，各種跡象都表明暗能量是一個常數(shù)。未來10年之內(nèi)，將有歐洲空間局的歐幾里得任務(wù)、美國國家加速器實驗室主導(dǎo)的大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（LSST）等多個新的探測項目開始運(yùn)行。在接下來的幾十年中，新的觀測將讓科學(xué)家更清楚地判斷暗能量是宇宙學(xué)常數(shù)（真空能）還是精質(zhì)，抑或是修改引力?；蛟S這些努力能揭示更深層次的物理。

宇宙膨脹究竟有多快？

哈勃常數(shù)H0描述了當(dāng)下宇宙的膨脹率。哈勃在1929年給出的H0值約為500 km·s-1·Mpc-1，這意味著一個距離我們1Mpc≈3.26百萬光年的天體，將以500 km·s-1的速度遠(yuǎn)離我們，從這一數(shù)值推斷出的宇宙年齡僅為20億年，現(xiàn)在看來這是極其不準(zhǔn)確的。隨著我們對宇宙有了更深刻的了解，以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們已經(jīng)能夠越來越精確地測量哈勃常數(shù)。從普朗克衛(wèi)星對CMB所做的高精度測量，基于宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型可以得出哈勃常數(shù)值 H0= 67.4 ± 0.5 km·s-1·Mpc-1。而利用造父變星和超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，用傳統(tǒng)的宇宙距離階梯方法得到的哈勃常數(shù)值卻明顯大于這個值。最近，因發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹而成為2011年諾貝爾物理學(xué)獎得主之一的里斯（A. Riess）及合作者，利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡測量了70個造父變星，得到 了 H0=74.22±1.82 km·s-1·Mpc-1。 兩者之間約9%的差異成為令人不安的“哈勃危機(jī)”。

兩種測量方法都有可信的高精度，這個差異在統(tǒng)計上是有意義的。那么，這個分歧源自何處？實驗上，宇宙學(xué)家嘗試用另外的獨立方法來解決這個令人迷惑的難題。芝加哥大學(xué)的天文學(xué)家弗里德曼（W. Freedman）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊用紅巨星代替造父變星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，憑借能與基于造父變星的研究相媲美的精確度，測量了哈勃常數(shù)的值，但目前得到的測量結(jié)果落在了兩個爭議值的中間，并未解決爭端。另外，也有研究人員正試圖利用類星體和活動星系核進(jìn)行幾何測距，以及利用引力波來測量哈勃常數(shù)。

假如測量無法解決這個分歧呢？理論學(xué)家已經(jīng)開始懷疑，難道宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型有問題嗎？于是，出現(xiàn)了“早期暗能量”、由一種新的亞原子粒子組成的“暗輻射”、暗物質(zhì)與普通物質(zhì)或輻射之間存在額外相互作用等各種理論模型。里斯認(rèn)為，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡測量的是當(dāng)前宇宙的膨脹率，而普朗克衛(wèi)星給出的結(jié)果是基于早期宇宙學(xué)理論模型和測量早期宇宙的膨脹率而做出的預(yù)測。要解決這兩個哈勃常數(shù)值之間的差異問題，很可能需要對我們的宇宙學(xué)模型進(jìn)行修改，使其能自洽地連接兩個時代。

暗物質(zhì)、暗能量、宇宙的膨脹速度，這幾個難解之謎很可能是纏繞在一起的，它們之間或許有著本質(zhì)的聯(lián)系。揭開暗物質(zhì)和暗能量的神秘面紗，或許就能化解哈勃危機(jī)了。暗物質(zhì)和暗能量不僅是宇宙學(xué)的未解之謎，更是當(dāng)前物理學(xué)天空中的兩朵烏云。人類的好奇心將驅(qū)使我們不斷探索，思維的火花加上各類精確度越來越高的高能物理、天文學(xué)和宇宙學(xué)實驗，終將使我們迎來云開霧散的那一天。就在不久前，美國費(fèi)米實驗室發(fā)現(xiàn)基本粒子之一的繆子表現(xiàn)出了反常行為，很可能預(yù)示著超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。這會引起現(xiàn)有物理學(xué)大廈的地動山搖嗎？會成為解決暗物質(zhì)和暗能量問題的契機(jī)嗎？讓我們拭目以待。