宇宙也許比我們以為的年輕

鞠強

在人類認識宇宙的過程中，確定宇宙的年齡也許是一項值得驕傲的成就。科學家手邊并沒有現成的“宇宙鐘”來指示時間，他們只能去尋找帶有宇宙年齡信息的蛛絲馬跡。目前科學家估算出宇宙的年齡為138億年左右，這個公認的結果也已經廣為人知。但是一項最新研究卻動搖了這個結論，該研究認為宇宙可能要比我們曾經認為的“年輕”13億年。

這項研究由供職于美國太空望遠鏡科學中心（STScI）和約翰霍普金斯大學的天體物理學家、2011年諾貝爾物理學獎得主亞當·里斯（Adam Riess）領導。他的團隊于2019年5月在《天體物理學雜志》（The Astrophysical Journal）上發表論文，宣布他們通過使用哈勃太空望遠鏡觀測獲得的數據，計算出宇宙膨脹的速度比此前的估計要快9%。由此導致根據宇宙膨脹速度計算出的宇宙年齡也要進行相應的調整，最新估算的宇宙年齡為125億年。

不過，里斯等科學家同時指出，兩個數據之間的差異也許說明了我們對宇宙的認識仍然非常粗淺，還需要進一步的研究才能正確理解兩個值的意義，從而找到洞察宇宙的關鍵拼圖。

在里斯領導的這項研究中，他們并不是找到了一種特殊的“鐘表”可以去直接測量宇宙的年齡，而是通過對哈勃常數的測量來間接推算宇宙的年齡。因此，精確測量哈勃常數是正確估算宇宙年齡的關鍵。

哈勃常數以美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名。1929年，哈勃在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表了一篇論文，宣布他發現星系距離地球越遠，退行速度越快，即退行速度與距離成正比。這個規律后來被稱作哈勃定律，比例中的比值即為哈勃常數（H），哈勃當時給出的比值為500。此后的研究證明，哈勃大大高估了這個數值。從這個規律出發，當時的天文學家歸納出宇宙在膨脹的結論。

20世紀40年代后期，喬治·伽莫夫（George Gamow）等人發展出宇宙大爆炸理論。20世紀60年代宇宙微波背景輻射被證實之后，宇宙從大爆炸開始經過膨脹演化到今天，成為宇宙學的主流觀點。但是宇宙的膨脹究竟是加速、減速還是勻速進行，當時卻沒有確定的結論，而這直接影響宇宙未來的命運。

20世紀80年代末90年代初，由索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）領導的研究小組以及由布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和里斯領導的研究小組分別開始對遙遠的Ia型超新星進行觀測，以期探究宇宙膨脹的性質。這些超新星可以作為測量宇宙中的距離的“標尺”，而精確測距是回答宇宙如何膨脹的前提。1998年，兩個小組獨立發表了研究成果，均支持宇宙在加速膨脹的結論。2011年，三人因為這個發現共同獲得了諾貝爾物理學獎。同時，這個發現直接引發了對何種力量推動宇宙加速膨脹的討論，導致科學家提出占宇宙組成70%的“暗能量”以解釋這種現象。

在研究宇宙膨脹時，里斯領導的團隊就使用了哈勃太空望遠鏡對Ia型超新星進行觀測。這些超新星距離地球非常遙遠，甚至達到100億光年以上，因此需要強大的望遠鏡才能進行觀測，而于1990年發射升空的哈勃太空望遠鏡恰好能夠滿足觀測的需要。在發現宇宙正在加速膨脹之后，里斯于1999年從加州大學伯克利分校來到目前所在的機構，帶領團隊繼續對宇宙膨脹的速率進行研究。從2005年開始，他帶領一個名為SH0ES的團隊使用哈勃太空望遠鏡對測量距離的方法進行改進，從而對哈勃常數的值進行優化。

擺在他和團隊面前的難題仍是如何精確測量宇宙中的距離，從而計算出哈勃常數，這一次他們使用的“宇宙標尺”是造父變星。這類恒星的亮度隨時間呈周期性變化，天文學家可以根據這種變化關系確定它們所在的星系與地球之間的距離。天文學家使用造父變星作為“標尺”來測量宇宙中的距離已經有一個世紀的歷史，但是測量造父變星是一件費時費力的工作，對大量造父變星進行測量就更加困難。

為了解決這個問題，里斯的團隊發明了一種新辦法，稱作DASH（Drift And Shift）。他們把哈勃望遠鏡當作一臺傻瓜相機，來給特別明亮的造父變星拍攝快照。這樣做的好處是不需要花費時間來對造父變星進行精確定向。研究團隊中的科學家斯特法諾·卡塞爾塔諾（Stefano Casertano）在一篇發表于美國國家航空航天局（NASA）官網上的報道中表示，哈勃太空望遠鏡環繞地球一周需要90分鐘，當它鎖定造父變星進行精確定向時，它在一個周期內只能觀測一顆造父變星。因此，他們改變策略，尋找彼此之間距離足夠近的一組造父變星，這樣在對它們進行觀測的時候，哈勃太空望遠鏡就不需要再校準望遠鏡的指向。這些造父變星非常明亮，天文學家只需要觀測2秒鐘。這樣一來在望遠鏡環繞地球運行的每個周期內，他們通過陀螺儀控制好望遠鏡的指向，就可以觀測十幾顆造父變星。

與此同時，一個由來自智利、美國和歐洲的研究機構的天文學家組成的研究團隊正在進行一項名為“南洋杉計劃”（Araucaria Project）的觀測項目，他們希望對宇宙中的距離進行精確測量和修正。2019年3月，其中一個由來自波蘭科學院哥白尼天文學中心教授格雷戈日·皮特任斯基（Grzegorz Pietrzyński）領導的小組在《自然》（Nature）上發表論文，宣布他們對地球與大麥哲倫云之間距離的最新測量值為大約161000光年，測量不確定度為1%。

里斯的團隊將這個結果與哈勃太空望遠鏡的觀測結果結合起來，可以對造父變星的真實亮度進行校準。在這次發表的論文中，他們公布了對大麥哲倫云中的70顆造父變星的觀測結果。以此為基礎，這個團隊給出的哈勃常數的值為74km/s/Mpc。其中Mpc為百萬秒差距，是天文學家在宇宙尺度上使用的距離單位，1Mpc相當于大約330萬光年。74km/s/Mpc這個結果表示的意思是，星系同我們之間的距離每多出330萬光年，這個星系遠離我們的速度就要快出每秒74千米。

2018年7月，里斯團隊曾經根據哈勃太空望遠鏡和歐洲空間局（ESA）的蓋亞太空天文臺（Gaia）的觀測數據，將哈勃常數的測量不確定度降低到2.2%。這一次，他們更進一步，將測量不確定度降到1.9%，這也是迄今為止最為精確的測量。

但是，隨著這個團隊測量的精確度不斷提高，他們對哈勃常數的計算值與通過對早期宇宙膨脹的觀測而得來的預期值仍然存在明顯的差異，而后者的觀測是由歐洲空間局的普朗克衛星（Planck satellite）完成的。它能夠對宇宙微波背景輻射進行精確測量，也就是可以追溯宇宙大爆炸發生38萬年后的宇宙。

宇宙微波背景輻射是支持大爆炸理論的關鍵證據，其中蘊含著關于宇宙起源和演化的重要信息，因此自從被發現以來就是天文學家研究的熱點。1989年，NASA的“宇宙背景探索者”衛星（Cosmic Background Explorer，COBE）發射升空。這個由約翰·馬瑟（John Mather）和喬治·斯穆特（George Smoot）領導的項目幫助人類第一次精確測量了微波背景輻射譜，二人也因“對宇宙微波背景輻射和各向異性的研究”獲得了2006年諾貝爾物理學獎。此后，NASA又于2001年發射了威爾金森微波各向異性探測器（WMAP），對宇宙微波背景輻射進行了進一步研究。2009年，ESA發射了普朗克衛星。從2009年到 2013年，普朗克衛星對宇宙微波背景輻射進行了到目前為止最為精確的測量。根據普朗克衛星的觀測數據，天文學家計算出今天宇宙的哈勃常數值為67km/s/Mpc。

由此可見，使用哈勃太空望遠鏡和普朗克衛星測量獲得的數據計算出的哈勃常數存在顯著的差異。關于宇宙年齡和宇宙膨脹速度（即哈勃常數）之間的關系，我們可以簡單理解為宇宙從誕生開始演化到目前的狀態，膨脹越快，所需時間越少。因此如果哈勃常數值為74而非67，那說明宇宙膨脹的速度比我們預期得更快，我們對宇宙年齡的估計值也要相應地下調。

針對如何理解兩個不同的值，約翰·馬瑟在接受美聯社（AP）采訪時說道：“兩種不同的膨脹速率可以被歸結于兩點，一是我們尚未發現我們測量中的錯誤，二是自然中存在我們尚未發現的東西?！?/p>

不過，里斯并不認為現在的差異是人為錯誤導致的。事實上，至少現在天文學家無法把兩個結果之間的差異歸咎于某次測量中的錯誤或是某個方法上的不當。兩個值都經過了嚴格檢驗。里斯表示：“我們正在測量的是在本質上不同的東西，一個是測量今天的宇宙正在以多快的速度膨脹，另一個則是一種預測，依據是早期宇宙的物理機制。如果兩個值不相符的話，那就很有可能是我們在連接兩個部分的宇宙學模型中遺漏了什么?！?/p>

在里斯等人發表的這篇論文中，他們也簡要討論了目前一些可能的解釋。其中一種被稱作“早期暗能量”，也就是暗能量除了在宇宙最初的膨脹過程以及今天的加速膨脹過程中扮演重要角色外，在大爆炸開始之后不長的一段時期內，暗能量同樣發揮著作用，這就使得宇宙的膨脹要快于天文學家此前的預測。里斯也認為，早期暗能量的存在可以解釋哈勃常數兩個值之間的差異。另一種解釋是，宇宙中存在“暗輻射”，其中包括已知的中微子，弄清這些成分的相互作用也許可以彌合哈勃常數兩個值之間的差異。

面對這個棘手的問題，里斯目前也無法給出答案。他的團隊會繼續使用哈勃太空望遠鏡來減少哈勃常數取值的不確定度，他們的目標是降低到1%。這樣一來，天文學家會有更堅實的依據來分析差異究竟從何而來。

宇宙的年齡對人類來說是一個至關重要的問題，這不僅關系到我們怎么認識宇宙，也關乎我們如何看待自己在宇宙中的位置。90年前，哈勃開辟了一條道路，使我們有機會回答這個問題。他曾經嘗試過計算宇宙的年齡，但是由于他遠遠低估了星系之間的距離，導致他計算出來的宇宙的年齡甚至小于地球的年齡。不過，也正是在不斷糾錯的過程中，天文學家前赴后繼，正在越來越接近真正的答案。

（摘自6月27日《南方周末》。作者為該報特約撰稿人）