本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：L. Lerner，头图来自：视觉中国


一


我们的宇宙正在膨胀。1929年，哈勃（Edwin Hubble）基于光谱线红移，得到了令人信服的证据证明，遥远的星系正离我们远去，距离我们越遥远的星系，远离我们的速度就越快。


宇宙究竟膨胀得有多快？要想知道这个问题的答案，我们需要精确测量哈勃常数（H₀）的大小。然而，两种被用来测量膨胀速率的主要方法，却产生了不尽相同的结果。在过去的十年里，哈勃常数测量值的差异让天体物理学家逐渐分成了两个阵营：一派认为这二者之间的差异显著；另一派则认为这种差异可能是由测量误差造成的。


如果能证明这种差异是由误差导致的，那就说明我们现有的关于宇宙运作的宇宙学标准模型应该是正确的；而如果能确定这种差异是显著的，那就意味着还需要新的物理学原理来弥补现有宇宙学模型中的缺失部分。近几年来，从天文观测中得到的每次新结果，都在让这一争论持续。


最近，在一篇刚被《天体物理学杂志》接收的新综述论文中，芝加哥大学的著名天文学家温迪·弗里德曼（Wendy Freedman）对近年的观测结果进行了概述，她得出的结论是：最新的观测正在让用两种方法得到的结果之间的差距缩小。也就是说，膨胀速率上的差异或许根本不存在，我们无需对现有的宇宙标准模型进行重大修改。


二


自哈勃确认了宇宙正在膨胀以来，科学家就试图能够精确地测量哈勃常数，因为它与宇宙的年龄以及宇宙如何随时间的演化密切相关。然而当两种主要测量方法给出了具有分歧的结果时，科学家们意识到他们遇到了一个实质性的难题。由此延伸出至今仍在继续的争论。


第一种用于测量哈勃常数的方法是观测宇宙大爆炸留下的非常微弱的光——宇宙微波背景（CMB）。这样的测量无论在太空还是地面都已经进行过很多次了。在得到测量结果后，天文学家可以将这些观测结果输入关于早期宇宙的“标准模型”中，然后预测现如今的哈勃常数应该是多少。通过这种方法，他们得到的答案是67.4 km/s/Mpc。


另一种用于测量哈勃常数的方法是通过观测附近宇宙中的恒星和星系，然后测量它们与我们的距离以及它们远离我们的速度而得到的。几十年来，弗里德曼一直是使用这种方法测量哈勃常数方面的专家。2001年，她与合作者利用哈勃空间望远镜对造父变星进行了测量，得到了具有里程碑意义的测量值——72 km/s/Mpc。


造父变星是一类亮度会呈周期性的变化的恒星，它们的变明或变暗与其内禀亮度有关。天文学家会通过视差法来计算银河系中造父变星的距离，然后再在邻近星系中寻找造父变星，将这些造父变星的亮度与银河系中的造父变星的亮度进行比较，从而估算出邻近星系与我们的距离。


自2001年后，弗里德曼一直在测量造父变星，每一次都能对更多的观测数据进行分析和检查。然而在2019年，为了检验通过造父变星得到的结果，她和同事发表了一项基于完全不同的方法得到的结果——他们测量的是被称为红巨星的恒星。


红巨星是非常大且明亮的恒星，这种恒星的亮度在迅速暗淡之前，总是能达到相同的亮度峰值。如果科学家能够精确地测量红巨星的固有亮度峰值，他们就能测量我们与其宿主星系的距离。这是一个重要但困难的部分，关键问题在于这些测量能有多精确。


弗里德曼想要仔细观测造父变星和红巨星能带来什么不同，她很了解这两类恒星的特点。2019年，弗里德曼与她的合作者使用了一个非常近的星系来校准红巨星的亮度。在过去的两年里，她又与团队对几个不同的星系和星群进行了计算。据她介绍，现在已经有4种独立的方法可用来校准红巨星的亮度，且这些方法的误差都在1%以内。这样的误差范围表明，这种测量距离的方法是非常可靠的。


通过测量红巨星，弗里德曼计算出的哈勃常数值为69.8 km/s/Mpc，与通过CMB测量所得的值相符。


三


虽然通过造父变星计算所得到的数字仍然更高，但弗里德曼分析认为，我们或许并不需要对此过于担忧。因为造父变星是一类较为嘈杂、复杂，难以完全理解的恒星，它们是活跃的星系恒星形成区域中的年轻恒星，这意味着可能有来自其他恒星的尘埃等事物会干扰我们的测量结果。


在她看来，随着我们用更先进的测量方法和更好的望远镜去收集数据，这些问题或许最终能得到缓解。比如，如果有着更高灵敏度和分辨率的韦布空间望远镜（JWST）成功发射，那么天文学家将能收集到更新的观测结果。


与此同时，弗里德曼还仔细检查了现有数据，并发现大部分数据都是一致的。因此弗里德曼总结道：“我们不需要新物理学来解释局部和远距离的膨胀速率的差异。新的红巨星数据显示，它们是一致的。”


这样的结果或许会让支持“我们需要新物理学”的科学家感到失望。但其实，无论结果为何，都是令人兴奋的答案。正如弗里德曼所说的那样：“新物理学仍然有一定的发展空间，但即使没有，这也表明我们现有的标准模型基本上是正确的，这也是一个需要得出的深刻结论。这就是科学的有趣之处：我们并不预先知道答案。我们边走边学。这是一个非常激动人心的时刻。”


参考来源：

https://news.uchicago.edu/story/there-may-not-be-conflict-after-all-expanding-universe-debate

https://news.uchicago.edu/story/new-measure-hubble-constant-adds-mystery-about-universes-expansion-rate


本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：L. Lerner