有關哈勃常數的新證據

張慧杰

天文學家使用美國航空航天局的哈勃空間望遠鏡對宇宙膨脹率（即宇宙的膨脹速度。理論物理學家阿爾伯特·愛因斯坦于1915年創立廣義相對論的時候就認識到，他的學說將會得出一個震撼人心的預言——宇宙在膨脹。當時，大多數天文學家都認為宇宙一直是那樣的，它不會隨時間改變）做了最精確的測量，與首次計算間隔近一個世紀。有趣的是，這次的測量結果迫使天文學家相信，宇宙中可能有令人意想不到的事情在發生作用。

這是因為“哈勃”最近的發現證實了一種令人不安的差異：宇宙現在的膨脹速度比根據大爆炸發生不久之后其軌道數據估算的要快。研究人員認為，會有新的物理學假設解釋這種差異。

美國馬里蘭州巴爾的摩市空間望遠鏡科學研究所和約翰·霍普金斯大學首席研究員、諾貝爾獎得主亞當·里斯說，“天文學界正在努力理解該差異的含義”。

里斯的同事斯特凡諾·卡塞爾塔諾畢業于約翰·霍普金斯大學，也是空間望遠鏡科學研究所的一名成員。在過去的6年里，他一直以恒星作為里程標志，致力用哈勃空間望遠鏡來精確測量星系間的距離。這些測量用于計算宇宙隨時間的膨脹速度，該數值被稱為哈勃常數。相較于之前哈勃空間望遠鏡的觀測結果，該團隊的最新研究將分析的整個恒星數量增加到原來的10倍之多。

然而，里斯所測數值鞏固了宇宙大爆炸37.8萬年后早期宇宙膨脹得出的預期值的差異。宇宙大爆炸大約發生于138億年前，這次爆炸形成了我們現在的宇宙。這些數據是歐洲空間局普朗克衛星的測量結果，用這些結果繪制成了宇宙微波背景圖，即宇宙大爆炸殘留物。這兩個值相差約9%。“哈勃”新的測量結果能將數值差異的概率降低至大約1/5000。

據普朗克衛星的觀測結果，哈勃常數應當是67（千米/秒）/百萬秒差距（330萬光年），不高于69（千米/秒）/百萬秒差距。這意味著距離我們330萬光年的星系，其飛高速度每秒要快67千米。但里斯團隊所測的數值為73（千米/秒）/百萬秒差距，這表明星系的移動速度比早期宇宙觀測暗示的速度更快。

“哈勃”所測數據非常精確，所以天文學家無法忽視這兩種結果之間的差異，也不能認為其中一次測量的方法有誤。里斯解釋說：“兩種結果都經過了多方面的驗證，所以排除了一系列沒有關聯的錯誤。這越來越有可能說明這一現象不是一個錯誤，而是宇宙的一個特性。”

解釋一個令人苦惱的差異

對此差異，里斯提出了一些可能的解釋，這些解釋都與處于黑暗中的95%的宇宙有關。一種可能是，暗能量（已知它是增加宇宙膨脹速度的能量形式）可能會用更大的力或者越來越大的力把星系推離。這意味著加速度本身在宇宙中沒有恒定值，而是隨著時間變化。里斯憑1998年發現的宇宙加速膨脹與他人共享諾貝爾獎。

另一個可能是，宇宙中存在一種新的亞原子粒子，它的運行速度接近光速。這種快速粒子被統稱為“暗輻射”，包括先前已知的粒子，如中微子，它們是在核聚變和放射性衰變中產生的粒子。與受亞原子力相互作用影響的正常中微子不同，這種新粒子只受重力影響，被稱為“惰性中微子”。

還有一個更有吸引力的解釋，認為相較之前的假設而言，暗物質與普通物質或輻射的作用更強烈。

其中任何一種情況都會改變有關早期宇宙的理論，導致理論模型不一致，并導致從早期宇宙觀測推斷出的哈勃常數出現誤差。

對于這個令人苦惱的問題，里斯及其同事還沒有任何答案，但是他的團隊將繼續致力精確哈勃常數，以便更好地探索宇宙。截至目前，里斯團隊已將不確定性降低至2.3%。

構建宇宙距離尺度

天文學家用宇宙距離尺度來測量地球與各星系的精確距離。該團隊通過精簡和強化宇宙距離尺度階梯的構建，成功地完善了哈勃常數。研究人員利用退行星系的延伸光線來測量宇宙擴張，并將此與地球和星系的精確距離進行對比。之后，他們使用了每段距離上星系的表面速度來計算哈勃常數。

但是天文學家不能使用卷尺來測量星系間的距離。所以，他們選擇特殊類別的恒星和超新星作為宇宙標準或里程標志，來精確測量銀河系距離。

對較短距離測量而言，最準確的是造父變星、脈動星，它們按其固有亮度的速率變亮和變暗。因此，可以通過對比其固有亮度和從地球上看到的亮度來推斷它們的距離。

亨麗愛塔·勒維特是首位發現造父變星能測量距離的天文學家。1913年，勒維特發現使用視差這一基本幾何工具，在不受亮度影響的條件下可以測量造父變星的距離。視差是觀測者改變觀測角度造成的明顯的位置移動。該技術是古希臘人的發明，用來測量從地球到月球的距離。

哈勃空間望遠鏡的最新觀測結果以我們對銀河系中8顆新研究的造父變星的測量視差為基礎。這些恒星比以往研究中的任何恒星都要遠10倍左右，距地球6000光年至12000光年，這使得對它們的測量更具挑戰性。

掃描恒星

由于地球圍繞太陽運行，為了測量哈勃空間望遠鏡的視差，該團隊必須測量造父變星的輕微搖擺。這些搖擺僅為望遠鏡單個像素的1%，大約相當于161千米外一粒沙子的大小。

因此，為了確保測量的準確性，天文學家研究出了一種巧妙的辦法，即讓望遠鏡持續4年、每6個月測量一次恒星的位置，測量頻率為每分鐘1000次。

該團隊校準了8顆緩慢的脈動星的亮度，將它們與其他較遠距離的恒星關聯，來提高距離尺度的準確性。然后，研究人員比較了這些星系中的造父變星和超新星的亮度，以便更準確地測量恒星的真實亮度，從而更精確地計算距離較遠的數百顆超新星的距離。

該研究還有另一個優點：團隊使用哈勃空間望遠鏡第三代廣域照相機來校準附近造父變星和其他星系中造父變星的亮度，從而消除了系統誤差。

卡塞爾塔諾說：“通常情況下，如果你每隔6個月測量一顆恒星相對于另一顆恒星的距離變化，那么你會受制于自身能力，無法測量恒星的精確位置。”“使用這個新技術，可以多次測量由于視差產生的極小位移。”里斯補充說，“這時你正在測量兩顆恒星之間的距離，不僅是在相機上的某個位置進行，而是經過上千次的努力來降低測量錯誤。”

該團隊的目標是，通過使用來自“哈勃”和歐洲空間局的蓋亞空間天文臺數據，來進一步降低不確定性，以前所未有的精確度測量恒星的位置和距離。卡塞爾塔諾說：“該精準度是找出差異原因的關鍵。”

這些是哈勃空間望遠鏡拍攝的圖像，選定了19個星系中的2個進行研究，來提高宇宙膨脹率的準確度。該值被稱為哈勃常數。該彩色合成圖像分別顯示了距地球6500萬光年和1.18億光年的NGC 3972（左）和NGC 1015（右）。每個星系中的黃色圓圈代表名為造父變星的脈動恒星的位置。

插圖演示了天文學家精準測量宇宙膨脹率（哈勃常數）的三個步驟，可將不確定度降低到2.3%。這些測量簡化或強化了宇宙距離尺度的結構，可以用來準確測量地球到各星系的距離。相較于之前哈勃空間望遠鏡的觀測結果，最新研究將其分析的整個星球中造父變星的數量增加到原來的10倍。造父變星是一類高光度周期性脈動變星，它的光變周期（即亮度變化一周的時間）與它的光度成正比，因此可用于測量星際和星系際的距離。