天文学家们利用詹姆斯·韦伯和哈勃太空望远镜,确认了物理学中最让人困扰的难题之一——宇宙的膨胀速度似乎取决于我们观察的位置而呈现出令人困惑的不同速度。
这个问题,被称为哈勃张力,有可能改变甚至彻底颠覆宇宙学。2019年,哈勃太空望远镜的测量结果证实了这一谜题是真实存在的;到了2023年,来自詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的更为精确的测量结果进一步巩固了这一差异。
现在,两台望远镜共同进行的三重检查似乎一劳永逸地排除了任何测量误差的可能性。这项研究于2月6日发表在《天体物理学杂志通讯》上,表明我们的宇宙理解可能存在严重的问题。"当测量误差被排除后,剩下的就是一个真实且激动人心的可能性,即我们对宇宙的理解出现了误解。"
这个难题的症结到底何在?让我们一起深入探讨这个令人困惑的宇宙之谜。
目前,有两种"金标准"方法可以计算出哈勃常数,这是一个描述宇宙膨胀速率的值。
第一种方法涉及仔细研究宇宙微波背景(CMB)中的微小波动——这是宇宙首次发出的光的古老遗迹,产生于大爆炸后的380,000年。在2009年至2013年间,天文学家们使用欧洲航天局的普朗克卫星绘制了这种微波模糊图像,推断出哈勃常数大约为每百万光年46,200英里/小时,或大约每秒67公里/百万秒差距(km/s/Mpc)。
第二种方法使用被称为脉动变星的恒星。脉动变星是垂死恒星,它们的外层氦气层随着吸收和释放恒星的辐射而膨胀和收缩,使它们像远处的信号灯一样周期性地闪烁。
随着脉动变星变得更亮,它们的脉动变得更慢,这为天文学家提供了一种测量它们绝对亮度的方法。通过将这种亮度与观测到的亮度进行比较,天文学家可以将脉动变星串联成一个"宇宙距离阶梯",以便更深入地观察宇宙的过去。有了这个阶梯,天文学家可以通过脉动变星光的拉伸或红移来找到宇宙膨胀的精确数字。
宇宙距离阶梯是一种用于测量宇宙中天体距离的方法，它通过一系列相互关联的距离测量技术构成，每一级技术为更远的天体距离的测量提供基础。这个概念的目的是建立一个可靠的距离尺度，从而能够测量从地球到太阳系内其他天体、恒星、银河系内和银河系外星系的距离。
宇宙距离阶梯的建立起始于对近距离天体的直接测量，例如使用视差方法测量太阳系内天体的距离。通过这种方式，我们可以算出太阳系里的物体离我们有多远。这种方法利用地球在绕太阳公转时产生的视差角度来计算距离。随着距离的增加，天文学家使用其他技术，如主序拟合和变星（例如造父变星和Ia型超新星）作为“标准烛光”，通过它们的亮度和观测到的视星等来估计距离。
对于更遥远的星系，天文学家使用红移和哈勃关系来测量距离。哈勃关系描述了星系的红移与它们离我们的速度成正比的关系，这基于宇宙膨胀的理论。通过这些方法，科学家可以构建一个从近到远的距离尺度，从而测量宇宙中各种尺度的距离。
但这就是谜团开始的地方。根据里斯及其同事通过脉动变星测量的结果,宇宙的膨胀速率约为每秒74公里/百万秒差距:与普朗克的测量结果相比,这是一个难以置信的高值。宇宙学被推向了未知领域。
"我们不会称之为张力或问题,而是一个危机,"诺贝尔奖得主、天文学家大卫·格罗斯在2019年加州卡夫利理论物理研究所(KITP)的一个会议上说。
这个被称为"哈勃张力"的问题,一度被认为可能源于测量误差。最初,一些科学家认为,这种差异可能是由于哈勃望远镜光圈中脉动变星与其他恒星混合造成的测量误差。
但在2023年,研究人员使用更精确的JWST确认了,在宇宙距离阶梯的前几"级"中,他们的哈勃测量结果是正确的。尽管如此,宇宙过去的更深处拥挤的可能性仍然存在。为了解决这个问题,里斯及其同事在他们之前的测量基础上,观测了五个宿主星系中1000多颗脉动变星,这些星系距离地球高达1.3亿光年。在将他们的数据与哈勃的数据进行比较后,天文学家确认了他们过去的哈勃常数测量结果。
"现在我们已经覆盖了哈勃观测到的所有范围,我们可以非常有信心地排除测量误差作为哈勃张力的原因,"里斯说。"结合韦伯和哈勃的优势,我们发现随着我们沿着宇宙距离阶梯更远地攀爬,哈勃测量结果依然可靠。"
换句话说:宇宙学核心的张力问题将会持续存在。
那么,究竟是什么原因导致了这种不可思议的差异呢?科学家们提出了几种可能的解释:
1. 新物理定律:一种可能是我们对宇宙膨胀机制的理解存在缺陷。也许目前的标准宇宙模型并不完整,需要引入新的物理定律来解释这种差异。
2. 暗物质和暗能量分布的复杂性:宇宙中充斥着大量我们无法直接观测的暗物质和暗能量。它们的分布可能比我们想象的更加复杂,从而影响了不同区域的膨胀速度。
3. 测量技术的局限性:尽管已排除了明显的测量误差,但我们现有的观测手段仍可能存在一些细微的不确定性。进一步提高观测精度或许能帮助我们解决这一难题。
首先,它可能要求我们重新审视和修正宇宙学的标准模型。如果这一差异确实反映了宇宙膨胀速度的真实情况,那么我们就必须做出改变,以更好地解释宇宙的演化过程。这可能意味着引入全新的物理理论,或者是对暗物质和暗能量的理解发生重大修正。
其次,这个问题也可能对我们测量宇宙距离的方法产生影响。如果宇宙的膨胀速度在不同区域存在差异,那么我们就必须重新校正用于测量宇宙距离的"标准蜡烛"。这将影响我们对宇宙尺度和结构的认知。
最后,这一发现还可能对我们理解宇宙早期历史和演化产生重大影响。如果膨胀速度存在差异,那么宇宙的热演化、结构形成以及暗物质和暗能量的分布都可能与我们当前的认知不符。这将是一个巨大的挑战,需要我们重新思考宇宙的形成和演化过程。
面对这一宇宙之谜,天文学家们正在制定新的探索计划。
未来,更先进的望远镜和航天器将为我们提供更精确的观测数据。例如,欧洲航天局正在计划发射一颗名为"Euclid"的太空望远镜,它可以更精细地测量宇宙中遥远galaxies的红移,从而更好地确定宇宙膨胀的速度。
此外,天文学家们还计划利用其他独特的测量方法,如引力透镜和引力波探测,来进一步验证和解决这一难题。通过多种观测手段的交叉验证,我们有望最终找到一个令人信服的解释。
无论最终结果如何,这一"哈勃张力"的发现无疑都将推动我们对宇宙的认知向前发展。它可能会颠覆我们现有的宇宙学理论,引发新的物理定律,甚至改变我们对宇宙起源和演化的理解。
我们正处于一个令人兴奋的时刻。随着科技的不断进步,我们有望在不久的将来解开这一宇宙之谜,并获得更深入、更全面的宇宙观。让我们一起期待着这一崭新的发现,它可能会带来宇宙学的革命性进展。