假如你是来自另一个宇宙的科学家,你以某种我们未知的方法(可能通过黑洞或虫洞)来到这个宇宙中一颗叫“地球”的蓝色星球上。你的目的很简单,就是调查这个宇宙的膨胀速度究竟有多快。因为你所在的宇宙由于引力的作用,正面临着坍缩所带来的终结。因此你必须找到一个可以长时间稳定存在的宇宙进行移民。为了尽快的找出答案,你选择参加2018年1月9日在美国天文学会举办的会议。
但显然,你并没有在会议中得到一个明确的答案,而是目睹了一场因不同测量结果而引起的争议。
实际上,这场争议始于1929年,当时美国天文学家哈勃第一次发现了宇宙并非静态,而是在不断地膨胀。这意味着宇宙的过去有一个开端。不仅如此,20年前天文学家还发现了宇宙的膨胀正在加速!导致宇宙加速膨胀的幕后推手被称为“暗能量”,但没有人知道它是什么。了解宇宙膨胀得多快非常重要,因为它能帮助我们更好地理解宇宙如何运作、宇宙的最终命运、以及宇宙的构成。
测量哈勃常数的三种方式:微波背景辐射、双中子星合并、宇宙距离阶梯。双中子星合并所测量的值恰好在其它两种方法之间,但由于这只是一次性事件,因此误差远大于另外两种。在一个膨胀的宇宙中,天体距离我们越遥远,代表它们的退行速度就越快。想要知道退行速度有多快,就需要测量所谓的哈勃常数。哈勃自己估算的值为500km/s/Mpc,这代表着距离我们326万光年远的天体,退行速度每秒会增加500公里。
当然,他远远高估了这个值,否则他的结果就意味着宇宙比地球还年轻!之后,天文学家利用不同的方法将这个值确定在50或100km/s/Mpc之间,考虑到误差,哈勃常数很可能处于中间值。
宇宙距离阶梯:想要测量哈勃常数,就必须更精确地测量天体的距离,而这是非常困难的一项工作。为了估算天体的距离,天文学家建立了“宇宙距离阶梯”,用已有的级来校准更远的。这是测量哈勃常数最标准(也最古老)的一个方法。
微波背景辐射:另一个方法则需要回到宇宙大爆炸后的38万年,那时还没有恒星和星系的出现,我们所要探索的是来自古老宇宙的微光,即微波背景辐射(CMB)。CMB描绘了一幅简单、几近光滑、且充满等离子体的早期宇宙的图景。所有不同波长的压力波在等离子体中波动,并对其产生挤压和拉伸,导致在不同长度尺度上发生了微妙的密度变化。
两种方法的得到的结果并不一致!这是宇宙学中目前所面临的最大矛盾。
Adam Riess在1月9日的会议上表示:“我认为这是非常令人意外,但又相当有趣。”之所以意外是因为天体物理学家和宇宙学家认为他们已经对宇宙有足够的了解:它是由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和仅仅为4.9%的“普通”物质(包括恒星、星系、气体、尘埃、等离子体、黑洞等等)所构成。今天我们依然不清楚除了普通物质外,剩下的95%究竟是什么。
科学家提出了许多相关的理论来解释宇宙为何在加速膨胀,比如有些人认为爱因斯坦的广义相对论在更大的尺度下并不适用,因此他的引力理论需要得到修正。
这个结果上的差异在几年前被发现时,许多人认为这可能存在着某些未被发现的误差,或者随着测量越来越精确时它就会消失。但显然,这种情况并没有发生。Riess在会议上说:“持续的差异也开始使情况变得棘手,因为两种测量方法都已经相当成熟了。
”有许多“新物理”试图解释这一现象。或许驱动宇宙加速膨胀的真空能量并不是宇宙学常数,而是其它强度会随着时间而改变的场充满了空间。但正如Riess所指出的,越来越多有利的证据都偏向于真空能量就是宇宙学常数。这令人困惑。
哈勃最初对哈勃常数的高估是因为那时对宇宙还缺乏了解,当时不同恒星(老的和年轻的)之间有着在先前不为人知的区别。这导致了哈勃对一些用来估算膨胀率的恒星的距离有着错误的判断。
同样的,在1990年代之前,科学家也无法对膨胀率有精确的估算是因为当时并没有将暗能量的效应考虑进去。因此,如今得到的结果差异或许是某种未知的新物理即将出现的征兆,无论那是一种新粒子、还是物质和辐射间的新作用、或是更令人意外的某些现象,都定会令刚到访这个宇宙的你感到无比震撼。