宇宙正發生「怪事」?宇宙膨脹速率差異巨大,當前物理學無法解釋

哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)的發射是人類天文學的一次巨大飛躍,憑借獨特而良好的視野,讓我們對宇宙的歷史和我們在其中的位置有了更清晰的認識。在過去的30年里,哈勃太空望遠鏡已拍攝了超過13億張宇宙事件的圖像。其中最有力的是,它的觀察讓科學家們相信宇宙正在加速膨脹,這是由一種如此神秘的東西推動的,以至于科學家們簡單地稱之為「 暗能量」。

為了計算出 宇宙膨脹的速度究竟有多快?科學家利用哈勃太空望遠鏡數十年的數據產生了一種新的、更準確的宇宙膨脹率測量方法。但結果顯示,宇宙當前的膨脹率與大爆炸后的膨脹率之間存在巨大差異。用NASA的話來說就是, 我們的宇宙正在發生「奇怪的事情」,目前的物理學無法解釋這一點

哈勃常數——宇宙年齡約138億年!

20世紀初,愛因斯坦發表相對論后,科學界就宇宙到底是靜態還是動態展開了激烈爭論,雙方各執一詞。到1929年,美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)在觀測星云發出的光,意外發現這些星系發出的光的波長如何隨著它們遠離我們而被拉伸和拉長,即多普勒效應的 紅移現象

后來科學家又發現,距離我們越遠的星系紅移越大,換而言之就是退行速度越大。哈勃因此得出結論:宇宙是在膨脹的,宇宙是動態的。

如果宇宙在膨脹,那麼就意味著宇宙原來沒有這麼大,那麼宇宙膨脹的起點在哪里,我們是不是逆向推理?于是「宇宙大爆炸」理論應然而出。假如我們能算出宇宙膨脹的速率,相應地,我們就能算出宇宙的年齡。而宇宙膨脹的速率,哈勃常數。

根據 哈勃定律:v =H×D,哈勃常數為H(單位為每326萬光年內每秒擴張的公里數,km/s/Mpc),星系遠離我們的速度v,和星系與我們的距離d成正比。那麼哈勃常數是多少呢?

在哈勃太空望遠鏡發射之前,天文學家估計哈伯常數大概是50-100,換算宇宙的年齡就是80 億到 200 億年之間,但這落差實在太大了。哈勃發射后,有了更好的數據做支撐,而且為了更精確地確定哈勃常數的數值,科學家們使用了兩種方法。

一種就是根據 宇宙大爆炸后留下的微弱光芒,這種光被稱為宇宙微波背景輻射,也就是大家常聽到的CMB。將歐洲太空總署(ESA)的普朗克衛星(Planck)在2009至2013年間測量大爆炸留下的CMB數據輸入早期宇宙的「標準模型」,最后估算出哈勃常數為 每秒 67.5 公里每百萬秒差距 (km/s/Mpc),誤差為±0.5。

另一種就是觀察附近宇宙中的恒星并測量它們遠離我們的速度——造父變星。造父變星的亮度具有周期性的變化,通過測出其變化周期,可以推算出實際峰值亮度,進而知道其所處星系與地球的距離。2001年,美國天文學家溫蒂·弗里德曼(Wendy L. Freedman)團隊使用哈勃太空望遠鏡觀察了造父變星和Ia型超新星,得出哈勃常數為 72 km/s/Mpc,誤差為±8,換算出的 宇宙年齡約為138億年

后來在2019年,弗里德曼團隊使用紅巨星再算一次,得出哈勃常數為69.8 km/s/Mpc,與觀測宇宙微波背景得出的值更接近。

這里值得一提的是,哈勃常數可以幫助我們了解我們的宇宙有多古老以及它是如何演變的,而不同的方法計算,會出現兩個彼此略有不同的答案。加上現處于「精確宇宙學」時代,由于觀察宇宙不同區域的不同天文台產生了不同的結果,所以這個數字很難確定,因此也存在了爭議。

地球附近的膨脹和宇宙膨脹速度,差異無法解釋!

言歸正傳,地球上的天文台的觀測數據始終不如在太空中兢兢業業觀測30年的哈勃太空望遠鏡。根據NASA的數據,哈勃觀測到超過40個星系,包括周期性膨脹、收縮的脈沖變星和爆炸、釋放輻射的超新星等天體,可以更精確地算出宇宙膨脹速度有多快。

由美國天體物理學家、2011 諾貝爾物理學獎得主之一的里斯(Adam Riess)領導了一項名為 SHOES 的科學合作項目,旨在研究宇宙膨脹率。他們審查了所有先前的數據,這些數據考慮了超過 1000 個哈勃軌道,最后通過哈勃望遠鏡分析了42次作為距離標記的超新星爆炸,得出的哈勃常數估計值為 73.04 km/s/Mpc,不確定性降低至1.4%。這個精確度比以前高出不少,根據這個數值,科學家預測宇宙將在未來100億年擴大一倍。

然而,這個數值和宇宙學標準模型預測的數值(67.5)還是存在不小差異。這種差異似乎歸結為我們在宇宙中的位置,簡單來說就是 地球附近的膨脹速度更快,而在遙遠的宇宙中,膨脹速度相對慢一些。

為什麼會有兩個不同的值?誰是對的?NASA科學家認為兩者差異如此之大,是目前物理學無法解釋的,或需要解析度更高的韋伯望遠鏡提供新數據繼續研究。不過對于像里斯這樣的天文學家來說,這種差異是令人興奮的。他說:「其實,我并不關心膨脹值具體是什麼,但我喜歡用它來了解宇宙。」

而對于用不同方法得到的哈勃常數值存在很大差異的原因,美國新墨西哥大學天體物理學家弗朗西斯-揚·賽拉辛(Francis-Yan Cyr-Racine)表示:「我們可以換一個思路來理解, 假如宇宙的物理特性和對稱性存在作用,那麼就有可能存在我們看不見一個鏡像宇宙,鏡像宇宙的引力影響導致哈勃常數差異。這聽上去有些瘋狂,但是鏡像宇宙有很多物理特性。我們的研究第一次讓我們把這些物理特性與宇宙學上一個重要的難題聯系了起來。」

結語:

事實上,哈勃常數非恒定不變,所以我們也不必糾結是多少更準確。它會根據宇宙的密度而變化,因此膨脹率會隨著時間的推移而下降。而在我們試圖理解宇宙的過程中,對于我們看到的任何東西,都可以計算它遠離的速度有多快,但我們只需衡量現在距離實際有多遠。

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