1.
在極大和極小的尺度上，引力所施展出的作用并非如我們想象的那樣。在極大的尺度上，我們的宇宙沒有在引力作用下收縮，反而是在膨脹，并且是加速膨脹。用來判斷宇宙的膨脹速率的一個(gè)重要參數(shù)是哈勃常數(shù)（H?）。哈勃常數(shù)是以天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）命名的，它在各種各樣的宇宙學(xué)計(jì)算中都扮演者非常重要的角色，對宇宙的膨脹率和年齡的測量尤為關(guān)鍵。
因此，對天文學(xué)家來說，能準(zhǔn)確地測量這個(gè)常數(shù)，就意味著他們離解決這個(gè)時(shí)代中的一些重大的天文學(xué)奧秘又近了一步。然而，很少有物理參數(shù)能像哈勃常數(shù)那樣讓天文學(xué)家焦躁不安。他們的問題在于，許多研究表明，從宇宙微波背景中測量得出的哈勃常數(shù)，與從更年輕的恒星中估算出的哈勃常數(shù)不一致。
在哈勃常數(shù)的數(shù)值上產(chǎn)生分歧并不少見，這是宇宙學(xué)中最古老的爭論之一，在過去的90多年里，關(guān)于這個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值的爭論從未停止過，且各個(gè)陣營都似乎有非常充分的理由。哈勃在1929年發(fā)表了他對宇宙膨脹的測量，當(dāng)時(shí)他對膨脹速率的估算是目前普遍接受值的7倍。近一個(gè)世紀(jì)過去了，圍繞在這一數(shù)值周圍的謎團(tuán)仍然存在。
近年來，天文學(xué)家對這個(gè)數(shù)值的測量比以往任何時(shí)候都更精確。隨著測量方法的改進(jìn)，過去無關(guān)緊要的細(xì)微差異開始變得顯著起來?，F(xiàn)在，全世界有許多不同的科研團(tuán)隊(duì)都在試圖精進(jìn)對哈勃常數(shù)的測量以平息這場爭論。
2.
由約翰霍普金斯大學(xué)的亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）領(lǐng)導(dǎo)的SH0ES合作項(xiàng)目對哈勃常數(shù)進(jìn)行了迄今為止最精確的測量。他們測量出哈勃常數(shù)為74.03 ±1.42 km/s/Mpc（Mpc是百萬差距秒，這個(gè)數(shù)值意味著距離地球10百萬秒差距的星系正在以740.3 km/s的速度遠(yuǎn)離我們）。這比被天文學(xué)界普遍接受的由普朗克衛(wèi)星測得的67.4 km/s/Mpc高出9%。
哈勃常數(shù)的倒數(shù)與宇宙的年齡與有著直接的關(guān)系，也就是說，數(shù)值越大，我們宇宙的年齡就越小。如果我們接受哈勃常數(shù)的值正如SH0ES所測得的那樣，比之前測得的要高出9%的話，那么由它推測出的將是一個(gè)年輕約10億年的宇宙。
這兩個(gè)哈勃常數(shù)的數(shù)值是通過不同的測量方法測得的。SH0ES團(tuán)隊(duì)觀測的是年輕的天體，比如變星（亮度不斷變化的恒星）和超新星。首先，他們計(jì)算出這些天體離地球的距離，然后利用多普勒頻移法計(jì)算出這些天體的移動(dòng)速度，由此推測出哈勃常數(shù)。普朗克衛(wèi)星則利用了宇宙微波背景，它告訴天文學(xué)家的是從宇宙大爆炸的38萬年后，膨脹速度為何，然后再由此推測出在130多億年后，宇宙現(xiàn)在的膨脹速度應(yīng)該為何。
那么這9%的差異源自何處？天文學(xué)家認(rèn)為，純粹由統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的可能性非常低，只有萬分之一。
理論上，用這兩種不同的方法應(yīng)該得到相同的哈勃常數(shù)，而他們沒能得出相同結(jié)果這一事實(shí)則表明，天文學(xué)家用來從宇宙微波背景輻射中預(yù)測哈勃常數(shù)的宇宙模型，可能存在一些輕微的錯(cuò)誤。對此，里斯是這樣描述的：“這就像你測量一個(gè)兩歲孩子的身高。而據(jù)你對人體成長的理解，你知道從兩歲到成年時(shí)，人的身高往往會(huì)翻倍，所以你就利用這條規(guī)則。接著再真正地測量這個(gè)人在成年時(shí)達(dá)到的身高是多少。如果他們比預(yù)期的要高一英尺，你就倍感驚訝。這就是我們現(xiàn)在的處境?！?/span>
3.
解決這種差異的一種方法是收集更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這正是許多研究團(tuán)隊(duì)正在做的。其中一個(gè)是H0LiCOW合作組，這是一個(gè)由宇宙學(xué)家組成的國際研究團(tuán)隊(duì)，他們研究的是源自遙遠(yuǎn)類星體的光在巨大星系團(tuán)周圍時(shí)發(fā)生的彎曲，是第三種測量哈勃常數(shù)的方式，結(jié)果得到了與SH0ES合作組一樣的答案。里斯說：“這兩種方法彼此之間沒有任何聯(lián)系，這增強(qiáng)了我們的信心，它讓我們相信，這不僅僅是這些步驟中的一個(gè)簡單錯(cuò)誤?！?/span>
除此之外，一些研究人員正試圖用引力波來測量哈勃常數(shù)。就在最近，由普林斯頓的天體物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，利用在2017年探測到的雙中子星合并得出了一個(gè)新的哈勃常數(shù)的數(shù)值，這一測量運(yùn)用的正是引力波技術(shù)。新的研究成果發(fā)表在了最新一期的《自然天文學(xué)》雜志上。
在2017年8月17日探測到的雙中子星合并事件中，兩顆中子星的質(zhì)量幾乎都是太陽的兩倍多，在相撞前有著極高的運(yùn)動(dòng)速度。合并所產(chǎn)生的引力波形成了一種獨(dú)特的波紋，根據(jù)這種引力波信號的形狀，天體物理學(xué)家可以計(jì)算出引力波的強(qiáng)度，然后將計(jì)算的結(jié)果與探測到的信號強(qiáng)度進(jìn)行比較，從而計(jì)算出合并發(fā)生的位置離我們的距離。
然而這存在一個(gè)問題，那就是引力波的強(qiáng)度會(huì)隨它們相對于兩顆中子星的軌道平面的方向而發(fā)生變化。從地球的觀測角度垂直于軌道平面，那么觀測到的引力波就更強(qiáng)；如果觀測角度是側(cè)向于軌道平面，那么測得的引力波就更弱。
○ 在射電波段對中子星合并后噴射出的物質(zhì)進(jìn)行觀測，對確定合并前兩顆中子星所在的恒星軌道平面的方向，以及由此確定向地球方向發(fā)射的引力波的“亮度”至關(guān)重要。從而使這類事件成為新的測量宇宙膨脹率的重要工具。| 圖片來源：Sophia Dagnello / NRAO，AUI、NSF
因此，他們結(jié)合了來自世界各地射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，測量了從爆炸中噴射出來的超高速物質(zhì)噴流的運(yùn)動(dòng)，將這些數(shù)據(jù)與詳細(xì)的流體動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合來確定方向角，從而得到了利用引力波來測得的距離。
通過這種方法，他們最終測得的哈勃常數(shù)值為70.3km/s/Mpc（介于65.3和75.6km/s/Mpc之間）。這一數(shù)值基本上處于SH0ES和普朗克衛(wèi)星估計(jì)值之間，只不過它具有更大的不確定性。
4.
有一些天文學(xué)家猜測，這種差異可能就是由人為錯(cuò)誤導(dǎo)致的。例如斯坦福大學(xué)的一名物理學(xué)博士后Arka Banerjee就認(rèn)為，系統(tǒng)誤差有可能被低估了。Banerjee從事的是中微子研究的，因此擁有更精確的哈勃常數(shù)對他來說至關(guān)重要。
中微子是一類質(zhì)量小到可以忽略不計(jì)的粒子，而測量它們的質(zhì)量又是中微子物理學(xué)中一個(gè)懸而未決的主要問題。哈勃常數(shù)可以用來限制這一質(zhì)量，并且可以幫助科學(xué)家確定是否存在一種他們尚未發(fā)現(xiàn)的隱藏中微子。Banerjee說，系統(tǒng)誤差是在測量哈勃常數(shù)時(shí)所面臨的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。而目前看來，統(tǒng)計(jì)誤差最小的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)，正是測量結(jié)果不一致的普朗克衛(wèi)星和SH0ES。
究竟誰才是對的還有待觀察?；蛟S，我們可以翹首企盼的是當(dāng)西蒙斯天文臺、H0LiCOW、LIGO和其他這類研究合作組也能達(dá)到更高的精度水平時(shí)，能否一舉解決哈勃常數(shù)的問題。或許那一天不會(huì)太遠(yuǎn)。里斯說：“我不認(rèn)為最后的結(jié)果是我們發(fā)現(xiàn)，‘原來物理學(xué)里的一切都錯(cuò)了！’這是整個(gè)宇宙歷史的9%的差異。需要說明的是，我認(rèn)為我們對事物的基本理解是正確的，只是存在一些問題而已?！?/span>
參考鏈接：
[1]https://www.symmetrymagazine.org/article/the-9-percent-difference
[2]https://www.nature.com/articles/s41550-019-0820-1
[3]https://www.princeton.edu/news/2019/07/09/princeton-astrophysicists-are-closing-hubble-constant
