哈勃常数迄今最精确的测量:宇宙膨胀比我们想像的还要快

宇宙正在膨胀,这在科学界已经是一个不争的事实,而最新的研究结果表明,宇宙膨胀的速度比我们预想的要快。

近日,来自哈勃空间望远镜的最新数据显示,宇宙膨胀速率—哈勃常数的值比公认的要大9%。这次结果还近一步确认了差异的来源:属于测量误差的概率是30万分之一。这意味着,宇宙的星系的确在以更快的速度相互远离,我们的宇宙也比预想的要年轻。

这项研究由约翰·霍普金斯大学空间望远镜科学学院的 Adam Riess 教授领导。他所在的国际天文学小组 SH0ES 通过哈勃望远镜测量了大麦哲伦星云一共70颗造父变星(Cepheid Variables)的周光规律,然后利用宇宙距离阶梯实现对遥远星系的距离的测量。

他们得到最新的哈勃常数值是:73.45 ± 1.66[km/s/Mpc]。Mpc亦即百万秒差距,是天文测量中常用的距离单位,1Mpc大约为三百三十万光年。这表示相距330万光年的两个星体,在以大约每秒73公里的速度,彼此远离。这一速度是地球围绕太阳公转速度的两倍多。

目前学术界普遍公认和采用的数值,来自于对宇宙微波背景辐射——即130亿年前的早期宇宙——的测量。2015年,欧洲空间局发射的普朗克探测卫星测量了宇宙微波背景辐射,得到的哈勃常数为 67.74 ± 0.46 [km/s/Mpc] 。新结果比公认的数值要大9%!

Riess 教授在宇宙膨胀方面作出了卓越的贡献,他在1998年的研究结果验证了宇宙正在膨胀的事实,并因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。从2005年开始,他领导的 SH0ES 团队一直致力于改进哈勃常数的精确度。

与前不久黑洞照片发布相比,这次结果虽然没有引起大众的广泛注意,但也在科学界掀起了波澜。“这不是两个实验得到了不同的结果”,Riess解释到,“我们测量的是本质上不同的东西,我们团队观测宇宙今天如何膨胀,而公认的值是从对早期宇宙的观测推演而来。这两种测量方法本身没有问题,如果得到的结果不匹配,很有可能是连接早期宇宙和现在的宇宙的模型出现了问题。”

用造父变星搭建宇宙天梯

计算哈勃常数需要两个信息:星系与我们之间的距离,和星系远离的速度。速度可以通过光谱红移得出,不存在争议。对于距离为一亿光年尺度上的星系,宇宙距离阶梯(cosmic distance ladder)是目前唯一一个有效的测量距离的方法。

所谓宇宙距离阶梯,是由一系列对不同类别的星体距离的测量组成的。其中最可靠,也被用得最广的星体是造父变星。它们是变星的一种,它们的亮度以几天至数个月的周期非常有规律地脉动。

造父变星有着一个普遍的规律:亮度越大,其变化周期也就越大,天文学家通过这个特性可以测量出造父变星的绝对星等(星体的绝对亮度)。而绝对星等相同的恒星在距离越远时看起来就越暗,即视星等越小。通过测量一个恒星的视星等(观测亮度),就能得到造父变星的距离。造父变星存在于银河系中,也存在于河外星系中,过去的一百年中,它们一直是建立银河系和河外星系距离标尺的可靠且重要的标准烛光。

在这项研究中,Riess 团队共观察了大麦哲伦星云70颗造父变星,他们得到了这些变星的精确的距离信息。此外,宇宙中还存在着另一个标准烛光,那就是 Ia 型超新星,它们比造父变星更远也更明亮。天文学家用造父变星的距离去较正 Ia 超新星的距离,然后再用后者的距离校正更远星体的距离,就像爬梯子一样,一步步向外扩张到最边缘的宇宙。用这种方法,天文学家得以精确测量10亿光年远的星体与我们之间的距离。

宇宙学的危机:无法统一的哈勃常数

哈勃常数给我们带来了迄今为止最重要的宇宙信息:宇宙膨胀的速度。然而,自它诞生的第一天起,它的取值就一直是天文学中最具争议的主题。

1929年,哈勃在提交给《美国科学院院报》的论文中,画了一幅著名的图。哈勃在图中用简单的线性关系描绘出了星系距离与速度之间的关系:距离我们越远的星系,远离我们的速度就越快,直线的斜率就是哈勃常数的值。

然而最初的哈勃常数是十分不精确的,细心的读者会发现,这幅图中哈勃常数为500 [km/s/Mpc] ,与我们现在更为精确的测量结果(大约70[km/s/Mpc])相去甚远。

在接下来的半个世纪讨论和争辩中,哈勃常数的值被降到了100以下,但是它的具体取值依然是一个迷,根本原因是我们对于河外星体的距离测量始终存在较大误差,不能有效地降低。

所以,哈勃常数的测量史也是一部宇宙测距的发展史。

在测量比较近的星体的距离时,三角视差法就可以胜任。你用手遮住一只眼睛看一个物体,然后把手移开,盖住另一只眼睛观察,发现物体的位置移动了。通过瞳距和物体移动的程度可以计算出物体的距离。同理,如果把眼睛换成地球,在地球公转轨道的两端观察同一颗星体,星体成像也会产生偏差。不过,受限于天文望远镜的角分辨率,这种方法只对银河系内的恒星有效,出了银河系就束手无策了。

对于更远的星系,天文学家借助于一种叫作标准烛光的方法。简单来说,你看到一个物体的亮度和它与你的距离是平方反比的关系。而造父变星是标准烛光的最佳候选者,因为从其特有的周光关系可以测得它的绝对亮度,然后再通过观察到的亮度较准确地算出距离。更重要的是,造父变星在银河系之内和河外星系广泛存在,它与近距离和远距离的恒星重叠,可以被用作绝佳的距离校准工具。通过造父变星可以得到1亿光年以内的恒星的距离。

当我们的目标是100亿光年的星辰大海时,造父变星又显得相形见绌。这时我们要用到宇宙中的另一种标准烛光:Ia 型超新星。Ia 型超新星存在于最遥远的星系中,它和造父变星一样,也可以通过某种途径得知绝对亮度。

至此,科学家们就构建成了通向宇宙深处的阶梯:用三角测距法测量银河系内恒星的距离,并据此校准银河系内造父变星的距离;然后找到同时拥有造父变星和 Ia 型超新星的河外星系,通过前者校准后者的距离;最后把目光转向宇宙最深处,测量包含 Ia 型超新星的星系的距离。通过宇宙距离阶梯,天文学家得以测量宇宙最边缘的星系。

SH0ES 从2005年开始就用这个方法测量哈勃常数。在最开始,他们的结果和通过宇宙微波背景辐射得到的结果在误差范围内重合。但是这个皆大欢喜的情形并没有持续多久,随着时间的推移,两种方法的测量精度均不断提升。终于在2013年,精度提升后的微波各向异性探测器所探测到的微波背景辐射结果,与 SH0ES 的结果出现了统计学上无法解释的分歧。过去的6年,两小组都进行了不同程序的观测,然而它们的结果却丝毫没有靠近的倾向,反而越走越远。

新玩家入场

宇宙微波背景辐射法观察的是早期的宇宙,通过宇宙的演化理论来预测现今的宇宙,而SH0ES 所用的宇宙距离阶梯则是对现今宇宙进行直接的观察。这两种观测方法都经过了严格的验证,本身并不存在问题。

那么就只有一种可能了:我们对宇宙演化的认识出现了问题。就好比在一个人小时候测量他的身高,然后通过一套身体发育的理论预测他长大后的身高,但是十年后再来看,却发现小孩已经长成了巨人。

天文学家们已经开始讨论修改理论的可能性,有人认为还需要一种有待发现的粒子,而另一些人则试图用暗物质和暗能量解释更快的膨胀速度。而在实验观测方面,天文学家也试图找到一种精度更高的方法,对哈勃常数进行第三方独立测量。在众多备选方案中,其中有一个很有前景:利用引力波来测量。

该方案最成功的案例来自于前不久双中子星合并事例 GW170817 , 通过引力波的波形可以估算出波源与我们之间的距离,通过波源星系的光度和光谱的红移量可以测得速度信息,从而可以得到哈勃常数的值。但是目前这个方法的测量精度只有10%,远远无法达到要求。

不过,它有一个其它方法无法企及的优势:完全独立于电磁波的另一种媒介。随着引力波设备探测精度的提高,和中子星甚至黑洞合并事件的积累,结果一定会更加精确。

我们已经来到了一个关键节点,如果能将哈勃常数的值确定在1%之内,这对人类了解宇宙演化具有十分重要的意义。

作者:梁柱,责编:黄珊

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参考资料:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/mystery-of-the-universe-s-expansion-rate-widens-with-new-hubble-data

https://mailtribune.com/news/top-stories/new-study-says-universe-expanding-faster-and-is-younger

https://zhuanlan.zhihu.com/p/34162226

https://bokeyuan.kuaizhan.com/46/64/p561444093f702b

https://news.uchicago.edu/story/how-use-gravitational-waves-measure-expansion-universe

Hubble, Edwin (1929) PNAS. 15 (3): 168–173.

“哈勃常数——世纪之谜”, 胡彬(北京师范大学天文系)

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