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宇宙的膨脹速度比之前預(yù)測(cè)的要快……

自從人類誕生以來,人們就對(duì)頭頂?shù)奶祚烦錆M了好奇心。在古代,人們通過肉眼觀察天空。西方的上帝創(chuàng)世,東方的盤古開天,這些富含人類智慧的古代神話都反映出了人類對(duì)于宇宙根源及其演變的探究熱情。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)今科學(xué)家們則利用衛(wèi)星、激光、大型天文望遠(yuǎn)鏡和超級(jí)計(jì)算機(jī)來對(duì)宇宙進(jìn)行觀察與研究,層出不窮的新發(fā)現(xiàn),不斷刷新著我們對(duì)宇宙的理解。

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)官網(wǎng)近日公布了一項(xiàng)來自哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的最新研究成果。文章稱:哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹速度比之前預(yù)測(cè)的還要快9%,且這種差異是偶然性的概率從三千分之一降低到了十萬分之一。

有人可能會(huì)問,人類到底是如何發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹?最新的研究結(jié)果又是如何解釋的?想要回答這一系列問題,我們還得從宇宙大爆炸理論說起。

(圖片來源:Freepik.com)

宇宙大爆炸理論

20世紀(jì)以來,美國(guó)科學(xué)家伽莫夫(George Gamow)提出的大爆炸理論解釋了宇宙的誕生,即宇宙是由一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)于137億年前一次大爆炸后膨脹形成的。而后美國(guó)著名天文學(xué)家哈勃(Edwin Powell Hubble)觀測(cè)到“所有星系都在彼此互相遠(yuǎn)離”這個(gè)現(xiàn)象,并提出了宇宙正在膨脹的假說。最近,天文學(xué)家們又有了新發(fā)現(xiàn)——宇宙不只在膨脹,還在加速膨脹。

1998年,美國(guó)科學(xué)家亞當(dāng)里斯(Adam G Riess)和索爾珀?duì)栺R特(Saul Perlmutter)通過哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)超新星爆發(fā)光譜進(jìn)行觀測(cè),各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了“當(dāng)前宇宙在加速膨脹”這個(gè)現(xiàn)象。該結(jié)論一經(jīng)發(fā)表,便引起了物理學(xué)界的重大反響。接下來幾年里,這一事實(shí)分別被其他不同的天文觀測(cè)實(shí)驗(yàn)證實(shí),例如測(cè)量宇宙微波背景輻射的美國(guó)WMAP(Wilkinson Microwave  Anisotropy Probe)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)和測(cè)量宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的美國(guó)光譜巡天實(shí)驗(yàn)等。

根據(jù)WMAP對(duì)宇宙微波背景輻射的觀測(cè)所繪制的圖像(圖片來源:NASA)

宇宙加速膨脹速率是否可測(cè)

在證實(shí)了宇宙加速膨脹這一事實(shí)之后,人們便開始對(duì)宇宙膨脹速率進(jìn)行測(cè)量。歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星,美國(guó)航天局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡,這兩個(gè)集聚人類頂尖科技的觀察裝置,成為了人們手中測(cè)量宇宙膨脹速率的“神兵利器”。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(圖片來源:NASA)

宇宙膨脹速率,又被稱為哈勃常數(shù),通常用H表示。計(jì)算宇宙膨脹速率需要三個(gè)步驟。首先利用“宇宙距離階梯”來確定宇宙中星系與星系之間的距離。這種方法依賴于精確測(cè)量到鄰近星系的距離,然后將它們的恒星作為里程標(biāo)記,再通過這個(gè)標(biāo)記來測(cè)量更遠(yuǎn)距離的星系。最后天文學(xué)家利用這些測(cè)得的星系之間的距離,以及星系發(fā)出光線到達(dá)地球所產(chǎn)生的紅移,來計(jì)算宇宙膨脹速率。亞當(dāng)里斯和他的團(tuán)隊(duì)自2005年以來一直在研究利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡改進(jìn)這種距離測(cè)量方法,提升哈勃常數(shù)測(cè)量的精確度。

計(jì)算哈勃常數(shù)的三個(gè)步驟(圖片來源:HUBBLBSITE)

衡量星系之間距離的“量天神尺”:造父變星

一個(gè)多世紀(jì)以來,天文學(xué)家一直使用造父變星作為宇宙標(biāo)尺來測(cè)量附近的星系之間的距離。這是一種比較神奇的恒星,它的亮度會(huì)隨時(shí)間呈周期性的變化,通過精確測(cè)量造父變星亮度隨時(shí)間變化的周期關(guān)系,就可以確定星系之間的距離。但是如果想要測(cè)量距離我們非常遠(yuǎn)的星系的距離,就需要采集一系列造父變星的精確定位,這種行為耗時(shí)之多以至于幾乎無法實(shí)現(xiàn)。因此,亞當(dāng)里斯團(tuán)隊(duì)采用了一種聰明的新方法,稱為DASH(漂移和偏移),即利用哈勃望遠(yuǎn)鏡作為照相機(jī)來快速拍攝極其明亮的造父恒星的圖像,這就消除了對(duì)精確定位的耗時(shí)需求。

“當(dāng)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡鎖定某個(gè)造父變星來精確定位時(shí),它只能在每繞地球軌道一圈時(shí)觀測(cè)一次,而它繞地球一圈需要90分鐘。因此,哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀察每一個(gè)造父變星都是非常耗時(shí)的?!眮啴?dāng)里斯小組的成員斯特凡諾·凱瑟塔諾解釋道:“相反,如果我們尋找彼此之間距離足夠近的造父變星群進(jìn)行觀測(cè),我們就可以在它們之間移動(dòng),而無需重新校準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡指向。同時(shí),如果這些造父變星非常明亮,那我們只需要觀察很短的時(shí)間。通過控制陀螺儀來穩(wěn)定哈勃望遠(yuǎn)鏡的指向,我們便能夠在一個(gè)軌道上觀察到十幾個(gè)造父變星。”

這些測(cè)量幫助亞當(dāng)里斯團(tuán)隊(duì)更加精確了造父變星的真實(shí)亮度。有了這個(gè)更精確的結(jié)果,研究小組就可以“擰緊”延伸到太空深處的宇宙距離階梯的其余部分的“螺栓”,讓這把宇宙“標(biāo)尺”的精度更上一層樓。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡下的大麥哲倫星云(圖片來源:HUBBLBSITE)

在隨后的十幾年里,亞當(dāng)里斯團(tuán)隊(duì)利用哈勃望遠(yuǎn)鏡在大麥哲倫星云中觀測(cè)了70顆造父變星。通過將大麥哲倫星云中的造父變星和在超新星系中的類似恒星作對(duì)比,他們重新修正了宇宙距離階梯。從而將哈勃常數(shù)的不確定度從先前的2.2%降低到了1.9%。

宇宙加速膨脹的程度超出預(yù)期

2009年,美國(guó)航空航天局NASA公布哈勃常數(shù)的最新估計(jì)值是每秒每百萬秒差距74千米(46英里)。這意味著,由于宇宙的膨脹,星系和我們地球之間的距離每增加300萬光年,星系遠(yuǎn)離地球的速度增加74千米每秒。這個(gè)數(shù)字表明,宇宙的膨脹速度比預(yù)測(cè)的67千米(41.6英里)每秒每百萬秒差距的速度快9%。

隨著測(cè)量結(jié)果精確度的不斷提高,亞當(dāng)里斯團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的哈勃常數(shù),仍與普朗克衛(wèi)星通過觀測(cè)宇宙早期微波背景輻射得出的預(yù)期值不一致。普朗克衛(wèi)星通過對(duì)宇宙進(jìn)行全景“掃描”,發(fā)現(xiàn)了宇宙只有38萬歲時(shí)的微波背景輻射,展示了在宇宙早期,密度略微不同導(dǎo)致的溫度的細(xì)微起伏,天文學(xué)家據(jù)此對(duì)哈勃常數(shù)做出了預(yù)測(cè)。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過檢查之后發(fā)現(xiàn),雖然哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和普朗克衛(wèi)星的測(cè)量結(jié)果不一致,但這兩項(xiàng)“神兵利器”的測(cè)量結(jié)果本身都沒有任何問題。

“這不僅僅是兩個(gè)結(jié)果不同的實(shí)驗(yàn),”亞當(dāng)里斯對(duì)此解釋說:“我們正在測(cè)量一些根本不同的東西。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)是測(cè)量今天宇宙膨脹的速率,而普朗克衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)是基于早期宇宙理論和測(cè)量早期宇宙應(yīng)該以多快速度膨脹的預(yù)測(cè)。這兩個(gè)值之間的不一致不是巧合,所以我們很有可能遺漏了連接兩個(gè)時(shí)代的宇宙學(xué)模型中的某些東西?!?/p>

宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星(COBE), 威爾金森微波各向異性探測(cè)器衛(wèi)星(WMAP)和普朗克衛(wèi)星取得的宇宙微波背景輻射分辨率比較(圖片來源:NASA)

讓宇宙這個(gè)“面團(tuán)”加速膨脹的“酵母”是什么

作一個(gè)形象的比喻:宇宙每分每秒都在變大,星系之間的距離正在拉長(zhǎng),就像面團(tuán)一樣在烤箱里不斷膨脹。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論,宇宙這個(gè)包含了重子、暗物質(zhì)、光子、中微子等物質(zhì)的面團(tuán)只會(huì)減速膨脹。但是隨后,人們經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)面團(tuán)好像多放了酵母一樣,膨脹的速率比預(yù)想的要快。

那么宇宙中這個(gè)神秘的“酵母”到底是什么呢?

一個(gè)觀點(diǎn)是由約翰霍普金斯大學(xué)的天文學(xué)家提出的“早期暗能量”理論。該理論認(rèn)為,在年輕的宇宙中出現(xiàn)了一種意想不到的暗能量,到現(xiàn)在為止,這種暗能量已經(jīng)占據(jù)了宇宙70%的容量。這個(gè)理論如果是事實(shí),表明宇宙的演化就像一個(gè)最簡(jiǎn)單的按部就班的戲劇。

天文學(xué)家們假設(shè)暗能量存在于大爆炸后的第一秒,大爆炸將所有物質(zhì)推送到整個(gè)空間,然后開始初始膨脹。在大爆炸之后不久,暗能量也緊接著進(jìn)行了好幾次的爆發(fā),從而導(dǎo)致當(dāng)今宇宙的加速膨脹。亞當(dāng)里斯表示,這種“早期暗能量”的存在可以解釋哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和普朗克衛(wèi)星測(cè)量出的兩個(gè)哈勃常數(shù)之間的差異。

約翰霍普金斯大學(xué)的天文學(xué)家提出的另一種觀點(diǎn)是,這種“酵母”可能是宇宙中含有一種新的亞原子粒子,來源于核反應(yīng)和放射性衰變,其速度接近光速。這種快速粒子統(tǒng)稱為“暗輻射”,包括先前已知的中微子等粒子。這種新粒子的存在,導(dǎo)致哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和普朗克衛(wèi)星測(cè)量出的兩個(gè)哈勃常數(shù)之間產(chǎn)生了差異。

此外,宇宙加速膨脹還有一個(gè)比較大的可能原因是暗物質(zhì)(一種不由質(zhì)子、中子和電子組成的不可見物質(zhì))與正常物質(zhì)或輻射的相互作用比先前假設(shè)的更強(qiáng)烈。

以上都還是未經(jīng)證實(shí)的猜想,宇宙加速膨脹的真正原因仍然是個(gè)謎。這個(gè)令人煩惱的問題也令亞當(dāng)里斯束手無策,但是他的團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,進(jìn)一步提高哈勃常數(shù)的精確度。如果哈勃常數(shù)的不確定度能夠降低到1%,將更有助于天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)神秘“酵母”的真身。

被暗物質(zhì)包圍的地球(想象圖)(圖片來源:NASA)

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