圖片來源：Keith Vanderlinde
上世紀(jì)90年代初，美國加州卡內(nèi)基天文臺的工作人員都在歡慶圣誕節(jié)。Wendy Freedman仍獨自一人在圖書館鉆研一個棘手問題：宇宙的膨脹速度。
不過，F(xiàn)reedman的安靜很快便被天文學(xué)家Allan Sandage的闖入打破了。Sandage一直是宇宙緩慢膨脹論的支持者，而Freedman的最新研究卻駁斥了這一理論。
“他非常生氣?！爆F(xiàn)就職于芝加哥大學(xué)的Freedman回憶道，“我意識到這座建筑里就只有我們倆個人，于是后退了一步，他看上去并不友好。”
在公認(rèn)的宇宙論模型中，宇宙的進(jìn)化主要依賴于暗物質(zhì)與暗能量之間的競爭作用。暗物質(zhì)的引力傾向于減緩宇宙膨脹，而暗能量則在相反的方向推動并使宇宙加速膨脹。但基于若干天文臺的測量，宇宙學(xué)家得以預(yù)測年輕宇宙將如何進(jìn)化，包括在歷史的任意時間節(jié)點上膨脹得有多快。多年來，這些預(yù)測同針對當(dāng)前宇宙膨脹速度的直接測量結(jié)果（被稱為哈勃常數(shù)）并不一致。
哈勃常數(shù)得名于發(fā)現(xiàn)了宇宙在不斷膨脹的卡內(nèi)基天文臺天文學(xué)家Edwin Hubble。而通過觀測附近星系以多快的速度遠(yuǎn)離銀河系，利用被稱為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的已知恒星固有亮度，科學(xué)家便能計算出哈勃常數(shù)。
2001年，主持對哈勃常數(shù)第一次精密測量的Freedman報告的哈勃常數(shù)值為72±8。Freedman認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)燭光自身在精密測量時就是不可靠的，該團隊正在研究基于一種不同類型恒星的替代方法。
研究者還基于宇宙微波背景輻射（CMB）圖進(jìn)行了測算。許多科學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)和暗能量的相對貢獻(xiàn)來自于宇宙大爆炸后遺留的輻射，即CMB。歐洲空間局普朗克天文臺于近幾年完成了對其的詳細(xì)描繪，從本質(zhì)上看是年輕宇宙在約40萬年時的一幅肖像。
通過預(yù)測宇宙中能量和物質(zhì)的相互牽引，科學(xué)家矯正了哈勃常數(shù)，但結(jié)果與之前的并不匹配。這意味著有一個錯了。兩方均在用自己的方法尋找缺陷在何處，并爭相發(fā)表測量結(jié)果?！拔覀儾恢牢磥頃鯓??！盕reedman說。
但如果爭論持續(xù)下去，將割裂現(xiàn)代宇宙學(xué)的天空。它還意味著現(xiàn)代理論丟失了一些能調(diào)節(jié)現(xiàn)在和過去的要素。“我認(rèn)為在標(biāo)準(zhǔn)宇宙論模型中有一些是我們尚未搞清的?！泵绹s翰斯·霍普金斯大學(xué)天體物理學(xué)家Adam Riess說。上世紀(jì)末，Riess發(fā)現(xiàn)了暗能量，而且，其早期觀測認(rèn)為，暗能量的強度在宇宙的整個歷史中都是恒定的。
去年，Riess的團隊利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)百小時的觀測時間研究了來自18個星系的兩種標(biāo)準(zhǔn)燭光。由此測量的常數(shù)的不確定性為2.4%，低于之前3.3%的最好結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹速度大約比基于普朗克數(shù)據(jù)的預(yù)測值快了8%。
這一理論引起了軒然大波，如果屬實，那么新哈勃常數(shù)顯然和2013年普朗克天文臺從大爆炸殘留輻射的相關(guān)數(shù)據(jù)中推斷出的67不符。后者更低，代表膨脹速度更慢。
現(xiàn)在，該團隊不僅追求精確哈勃常數(shù)，而且還希望對其進(jìn)行完善，并弄清其是否隨時間而變化。如果新測量的哈勃常數(shù)和由普朗克團隊早期測量的結(jié)果都是準(zhǔn)確的，那么標(biāo)準(zhǔn)模型就需要進(jìn)行一些修改。一種可能性是構(gòu)成暗物質(zhì)的基本粒子具有不同于當(dāng)前理論的屬性，這將影響早期宇宙的進(jìn)化。另一種選擇是暗能量并非亙古不變的，而是在最近時期變得越來越強。但Riess至今仍沒有什么線索。
哈勃常數(shù)的發(fā)現(xiàn)可以追溯到上世紀(jì)20年代。當(dāng)時，Hubble發(fā)現(xiàn)，星系看起來都在離人們遠(yuǎn)去，且距離越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離的速度越快。一直以來，天文學(xué)家都認(rèn)為宇宙是靜止的，而這一觀點認(rèn)為宇宙是在膨脹的。之后，Hubble還發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的速率是一個常數(shù)。
為了找出宇宙膨脹率，Hubble需要星系的準(zhǔn)確間距，而不只是基于視亮度的相對數(shù)值。于是，他提出了“標(biāo)準(zhǔn)燭光”概念。1929年，Hubble應(yīng)用造父變星和星系中的最亮星標(biāo)定距離，提出銀河外星系的視向速度與距離成比例，并給出速度—距離比值為500。數(shù)年后，Hubble等人第二次測定值為558，隨后又訂正為526。
直到現(xiàn)在，許多天文學(xué)家用多種方法測定了哈勃常數(shù)，但所得的數(shù)值存在較大差距。1949年，Hubble 將接力棒交到了Sandage手中。借助卡內(nèi)基天文臺的更高分辨率和更大聚光能力，Sandage找出了更遠(yuǎn)星系中的造父變星。到上世紀(jì)80年代，Sandage推算出的數(shù)值約為50。后來，法國天文學(xué)家Gérard de Vaucouleurs提出哈勃常數(shù)應(yīng)為100。
而當(dāng)時從與Sandage的爭論中脫身的Freedman決定利用更強大的新工具：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。這使得Freedman團隊能找到比Sandage遠(yuǎn)10倍的造父變星。2001年，F(xiàn)reedman研究組將哈勃常數(shù)限制在72±8。這一結(jié)論終結(jié)了Sandage和De Vaucouleurs的爭吵。緊接著，2003年，科學(xué)家使用人造衛(wèi)星威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）測得的數(shù)值約為72。
不過，從那時起，天文學(xué)家測得的哈勃常數(shù)不斷增大，而誤差率則在不斷縮小。Riess則使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的紅外照相機得出最新的哈勃常數(shù)為73.24。同時，普朗克團隊繪制了更高分辨率和溫度敏感度的CMB圖像，測算出結(jié)果為67.8。
“我想，這已經(jīng)很難被解釋為統(tǒng)計學(xué)誤差了?！盬MAP團隊負(fù)責(zé)人、約翰斯·霍普金斯大學(xué)天天物理學(xué)家Chuck Bennett說。
每一方都堅信自己是正確的。正如普朗克團隊成員、英國劍橋大學(xué)宇宙學(xué)家George Efstathiou表示，普朗克的數(shù)據(jù)“絕對正確”。
也有人表示這些爭論可能是某個大事件的開端。普林斯頓大學(xué)宇宙學(xué)家David Spergel稱這個偏差“非常有趣”，但表示不相信這標(biāo)志著出現(xiàn)了新的物理學(xué)。不過，芝加哥大學(xué)的Michael S. Turner則認(rèn)為，如果這個差異是真實存在的，則可能會是一個取得大發(fā)現(xiàn)、新見解和突破的機會。
宇宙學(xué)家還希望使用塔卡馬望遠(yuǎn)鏡對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行修正。Riess等人認(rèn)為，現(xiàn)代和原始的結(jié)果都需要進(jìn)行調(diào)整，才能做到準(zhǔn)確，因為普朗克只是間接地把哈勃常數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型多個參數(shù)中的一個進(jìn)行了測量。
“哈勃常數(shù)將不會繼續(xù)模棱兩可。”普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)家Lyman Page說，理論學(xué)家有責(zé)任縮小各數(shù)值間的差異。
一個方案是向標(biāo)準(zhǔn)模型中增加額外的要素。CMB提供了對宇宙大爆炸后能量收支的總體預(yù)算。愛因斯坦等式E=mc2顯示，能量能像物質(zhì)一樣，因此其重力會放慢宇宙的膨脹速度。但隨著時間的逝去，輻射變冷且能量喪失，因此稀釋了重力影響。
另一個則涉及中微子。目前已知有3種中微子，如果存在第4種，則意味著早期宇宙膨脹速度比預(yù)想得要快。
還有一個可能的因素是所謂的“幽靈暗能量”。當(dāng)前的宇宙模型假設(shè)暗能量強度是一個常數(shù)。如果暗能量隨時間的變化略微加強，將能解釋為何當(dāng)前宇宙膨脹速度加快。但普朗克團隊的英國倫敦大學(xué)學(xué)院天體物理系Hiranya Peiris等批評者認(rèn)為，可變的暗能量并不存在。
而Freedman認(rèn)為解決爭吵的唯一方法是以毒攻毒——利用新的觀測數(shù)據(jù)。她和同事計劃不利用造父變星進(jìn)行校準(zhǔn)，轉(zhuǎn)而使用其他的變星和紅巨星。他們將使用口徑僅30厘米的自動望遠(yuǎn)鏡研究附近星系，并借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡監(jiān)控遙遠(yuǎn)星系。
（張章編譯）
《中國科學(xué)報》 (2017-03-13 第3版 國際)
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