宇宙膨脹速度,為何比預測的要快?科學家:可能存在未知成分

天空之城 2022/05/20 檢舉 我要評論

在20世紀初,美國科學家伽莫夫提出了大爆炸理論,從科學假設的角度解釋了宇宙的誕生和發展。后來,美國天文學家哈勃在觀測河外星系時,發現了從遙遠星系發出的光線,在到達地球后都有向紅端移動的現象,說明遙遠星系正在與地球越來越遠,從而從科學觀測的角度,印證了宇宙大爆炸理論。

在此基礎上,哈勃又通過大量的觀測,提出了哈勃定律,即空間膨脹速率與星系距離成正線性相關,二者的比率被定義為哈勃常數。為了測量這個哈勃常數,長期以來科學家們利用各種方法進行了嘗試,得到的結果都不盡一致。

2015年,科學家利用歐洲空間局發射的普朗克探測衛星,測量了宇宙微波背景輻射,這是宇宙在大爆炸38萬年后形成的微弱輝光,揭示了物質和能量在早期宇宙中的分布規律,在此基礎上測算出哈勃常數值為67.74 ± 0.46 km/s/Mpc,即在距離地球每百萬秒差距(326萬光年)的區域,其與地球的徑向退行速度為67.74 ± 0.46公里/秒。目前學術界普遍公認和采用的哈勃的數值,就是利用普朗克衛星根據宇宙微波背景輻射得出的這個結果。

不過,計算哈勃常數還有另外一套算法,即通過哈勃定律「簡單粗暴」地計算。近年來,不少科學家通過哈勃望遠鏡,通過觀測造父變星的方法,利用宇宙距離階梯,實現了對遙遠星系與地球之間距離的測量。因為在測量或者預測哈勃常數時,目標星系與觀測者之間的距離是最基礎的條件,只有知道了目標星系的距離,然后再根據星系發出的光線在到達地球后,所產生的紅移量,才能計算出哈勃常數。

為什麼科學家們熱衷于觀測造父變星呢?原因就在于造父變星有著一個非常明顯的規律,那就是其亮度越大,其亮度的變化周期也就越大,不同的造父變星,它們的亮度周期,短的幾天,長的可達數月。通過觀測造父變星的視星等,就能計算得出造父變星的距離。長期以來,衡量銀河系內部和系外恒星的距離,科學家們應用最多的就是造父變星,因此它們也被稱為宇宙中的標準「燭光」。

如果對一系列由不同類型、不同距離的恒星進行測量,那麼就會組成一個數據「矩陣」,據此可以構建所謂的宇宙距離階梯。不過,如果所要觀測的目標星系距離地球太過遙遠,比如超過100億光年,那麼應用造父變星同樣顯得力不從心,這個時候就需要利用一種比造父變星更為明亮的天體-Ia型超新星,由于Ia型超新星比造父變星更加明亮,所以我們可以在地球上看到更遙遠的星系,因此,Ia型超新星被科學家們稱為「升級版」的標準燭光。

不少科研團隊利用宇宙距離階梯方法,近些年來對哈勃常數進行了諸多精密測量,比較有代表性的是霍普金斯大學空間望遠鏡科學學院Riess教授領導的團隊,通過測量大麥哲倫星云70顆造父變星,測算了它們與地球之間的距離,于2019年得出的哈勃常數值為73.45 ± 1.66km/s/Mpc,這個數值要比普朗克衛星觀測到的快了大約8%。

又比如,芝加哥大學的溫迪·弗里德曼教授領導的團隊,另辟蹊徑,通過觀測一組特定的紅巨星,測得的哈勃常數值為69.8 km/s/Mpc,這個數值也要比普朗克衛星觀測的數值要大一些。那麼,為什麼通過應用宇宙微波背景輻射與利用宇宙距離階梯兩種方法,得出的哈勃常數也就是宇宙膨脹速率數值會有這麼大的差距呢?

從測量的過程來看,兩種方法都沒有什麼問題,普朗克衛星是基于早期宇宙理論,是對早期宇宙膨脹速率的一種預測;而利用哈勃太空望遠鏡進行的宇宙距離階梯計算法,測量的是現在宇宙的膨脹速率。兩者之間出現差異,應該不是巧合(畢竟多次測量結果都是如此),或許是在宇宙膨脹的歷史進程中,連接過去與現在兩個不同時期的宇宙學模型,中間出現了遺漏。

那麼,現在的宇宙學模型中,究竟是什麼東西被我們遺漏了呢?科學們提出了推測,其中有兩個觀點得到的認可度較高。其中之一是「早期暗能量」理論,138億年前的宇宙大爆炸,將所有物質擴散到整個宇宙空間,然后開始進行初始期的膨脹。而在大爆炸之后,這些「早期暗能量」也進行了數次的爆發,推動宇宙空間膨脹的驅動力進一步增強,所以后期宇宙空間呈現出加速膨脹態勢。

第二個觀點是在宇宙中,存在著一種或者多種我們尚未認知的亞原子粒子,這種粒子可能來源于核聚變反應,也可能來源于物質的放射性衰變,其運動速度近乎光速,由這種亞原子粒子所帶來的輻射被稱為「暗輻射」,在這種「暗輻射」的推動下,也加速了宇宙空間膨脹,使得普朗克衛星與哈勃太空望遠鏡針對哈勃常數的觀測值出現了差異。

當然以上的觀點還都是猜測,哈勃定律自從提出以后,圍繞哈勃常數具體數值的爭論就一直沒有停止過,現在觀測到的宇宙加速膨脹的真正原因,還得需要科學家們的長期觀測、研究和論證,才能為我們解開謎團,這或許就是宇宙留給我們的神秘面紗,當然也是天文探測的魅力所在吧!

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