宇宙比我们预想的膨胀得更快
2016.6.2：当爱德华·哈勃（Edwin Hubble）在100年前发现宇宙在各个方向一致膨胀时，这个发现震惊了世界。然后在二十世纪九十年代中叶，天文学家有了另一个震惊世界的发现：宇宙受神秘斥力——暗能量的推动，在加速膨胀。现在借助哈勃太空望远镜的最新测量暗示，宇宙比天文学家原先预期膨胀得更快。此结果对我们理解这个离经叛道的暗黑宇宙可能非常重要。这可能意味着这个把星系互相推开的“暗能量”，比此前想象的更强，或在逐渐增强。抑或，早期宇宙中含有一种新的亚原子粒子——“暗辐射”；第三种解释是，构成我们宇宙中大部分物质、看不见的“暗物质”，拥有某种不可思议的性质；最不可能的是，爱因斯坦的引力理论是不完善的。
哈勃WFC3拍摄的棒旋星系UGC 9391。大图：3.4MB，版权：NASA、ESA，研究者团队，下同。
哈勃的第三代广域相机（WFC3）的紫外/光学通道（UVIS），拍摄的用于本研究的一个星系——UGC 9391。图像摄于2012.12到2013.3，伪彩配色：350nm（纳米）的紫外光，绿色；555nm的黄绿光，蓝；814nm的I波段近红外光，红。UGC 9391属于棒旋星系，离我们约1.30亿光年，位于天龙座，天球坐标：赤经14时34分 37.02秒，赤纬59°20′16.12″。图中标尺为2万光年。
借助美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）合作的哈勃太空望远镜，天文学家发现，宇宙比原先预想的膨胀速度快了5%~9%。
研究团队领队、2011年诺贝尔物理学奖得主亚当·里斯（Adam Riess）介绍说：“这项惊人发现可能是重要线索，让我们理解构成宇宙中95%、又不发出任何辐射的神秘成分——暗物质、暗能量、暗辐射等等，”里斯同时在马里兰州巴尔的摩市的太空望远镜科研所（STScI）和约翰·霍普金斯大学（JHU）工作。
团队研究报告刊登在即将出版的最新一期《天体物理学报》期刊上。
UGC 9391中的造父变星（红圈）和Ia超新星SN 2003du（蓝色十字所指，超新星13年前爆发，已熄灭）。大图：3.4MB。
要解释宇宙的超速膨胀，有几种可能性。其中之一是，导致宇宙加速膨胀、推动星系互相远离的力——我们所谓的暗能量（dark energy），可能比预期的更强，或在逐渐增强。
另一种猜想是，早期宇宙中存在一种新的接近光速运动的亚原子粒子，它们统称为暗辐射（dark radiation），其中包括我们已知的中微子。来自暗辐射的附加能量，使得宇宙大爆炸后的膨胀速率，偏离了我们今天预言的最可能轨迹。
宇宙的更快速膨胀还可能意味着，暗物质（dark matter）拥有某种不可思议的未知属性。暗物质是我们今天所见的宇宙大尺度结构的骨干网络，星系就在该骨干网的节点上形成（宇宙的组成物质大部分都是这种完全看不见摸不着说不清的暗物质，我们日常所知的星系、星云、气体、恒星等，仅占小头。我们对那些辐射、能量、物质几乎一无所知，所以称为暗的，译注）。
最后，超速宇宙还可能告诉天文学家，爱因斯坦的引力理论（广义相对论）是不完善的（最不可能，译者更倾向于团队采用的测量基础本身有瑕疵，例如Ia超新星是否只有一种爆发模式，能否成为高精度的标准烛光）。
研究报告插图，团队测定的哈勃常数具有高度的线性稳定性，可一直符合到几十亿光年外的星系。
里斯团队以空前精度测量了当前宇宙的膨胀速率，把不确定性降低到了2.4%。团队创新发展了先进的观测技术，以提高遥远星系的距离测量精度。
这些基础测量是为了更精确地计算宇宙膨胀速率——哈勃常数（Hubble constant，缩写H0）。新的数据为每百万秒差距每秒73.24±1.74千米（1百万秒差距=326万光年）。新测量数值意味着，98亿年后，宇宙大尺度间的天体距离，将是当前的2倍（所谓大尺度，就是星系团之间的距离，译注）。
然而，这个精确测量值却提出了一个问题，因为它与另外几个对宇宙大爆炸后遗迹获得的早期宇宙测量值并不精确相符。比如，基于威尔金森微波（宇宙背景辐射）各向异性探测（WMAP）项目获得的数据是69.3±0.7 km/（s·Mpc）（单位同上一段的文字描述，数据是译者所加，下同），慢了约5%；而基于ESA的普朗克（Plank）红外卫星测量结果是66.93±0.62 km/（s·Mpc），更慢了约9%。
研究团队关键成员、德克萨斯州大学城农业和工业大学的卢卡斯·马可尼（Lucas Macri）接着解说：“我们对宇宙的暗黑部分知之甚少，因此测量宇宙历史中它们对空间的推拉至关重要。”
研究报告插图，通过四个不同区域的造父变星，分别测算的哈勃常数，本文给出的实际是拟合值。
（2016年报告，团队对旋涡星系NGC 4258、大麦哲伦星系（LMC）、银河系（MW）、仙女座大星系(M31)中的造父变星分别测量，并由此计算出H0分别为72.25±2.51、 72.04±2.67、76.18±2.37 和74.50±3.27 km/（s·Mpc），本文所言的73.24±1.74，为最佳拟合值）
里斯补充道：“假如我们知道宇宙最初的组分，比如暗物质和暗能量的比例；以及正确的物理过程，那么就能运用那些知识，从宇宙大爆炸后不久的测量数据预言当前宇宙的膨胀速率。然而，如果上述差异持续存在，看起来我们的理解有误，这将导致今天的哈勃常数改变。”
Riess继续解释，比较WMAP、Plank、Hubble测得的宇宙的膨胀速率（哈勃常数），就像建造一座桥梁，远端是WMAP测量的宇宙背景辐射数据，近端是里斯团队通过哈勃望远镜测量的数据。
里斯总结说：“假如你的图纸是正确的、测量也是正确的，你从桥的两端造起，肯定希望在中间正确地相聚。但现在显然没法对齐，我们想知道原因何在。”
哈勃观测由“超新星解决宇宙状态方程式（哈勃常数）观测项目”（SHOES）团队指挥，该团队目标就是持续提高哈勃常数的精度，以更准确地了解宇宙行为。
里斯团队通过线性化和强化量天尺的等级提高了精度，量天尺是天文学家精确测量星系离我们远近的工具。团队比较这个测量距离与根据宇宙膨胀造成的星系红移计算的距离，并由此算出哈勃常数。
在这些量天尺中，通常短距离测量采用造父变星，它们的明暗周期与其真实的光度成正比（周光关系），因此通过测量其光变周期就能知道其本征亮度，再与视亮度比较，就知道其距离了。
测量宇宙膨胀速率的三级量天尺示意图。大图：2.3MB。
（上 图说明：图中的距离仅为示意，不要当做线性的。第一级量天尺，1万光年内，以地球轨道的冬夏位置作基线，用三级视差法标定银河系内的造父变星。哈勃望远镜 把视差的适用距离扩大到大圈的位置。第二级量天尺，1亿光年内，用造父变星标定Ia超新星，题图的UGC 9391就是一例。第三级量天尺，十亿光年尺度，以Ia超新星的标准烛光测定距离。此时宇宙膨胀导致的红移已经很明显）
研究者使用基本的几何工具——（周年）视差校准这把恒星量天尺（以地球轨道直径为基线的三角视差法，通常只能用于几千光年量级的恒星，译注），地面上的勘探测量员用同样的方法测量距离。借助哈勃高分辨率的第三代广域相机（WFC3），团队把视差测量的距离远远扩展，抵达银河系远端的造父变星。
要测量邻近星系的精确距离，团队寻找星系中的造父变星，以及另一把可靠的远距量天尺——Ia超新星。Ia超新星具有几乎相等的本征亮度，而且极亮，几十亿光年外也能看到。总之，里斯团队分析了19个邻近星系中2400颗造父变星，这是银河系外该类测量的最大样本。通过比较分析邻近星系中的同类恒星（造父变星和Ia超新星，译注），天文学家得以了解它们的真实亮度，并据此分析测算更遥远星系中的约300颗Ia超新星。
通过同一个仪器——WFC3，研究团队成功搭建了距离阶梯，并排除了使用不同望远镜进行比较测量而几乎不可避免的系统误差。使用同一个仪器测定哈勃常数，就好比用一把长卷尺替代12吋的短直尺去测量走廊的长度。通过避免把直尺一次次拿起再放到下一个位置，你就回避了累积误差。
SHOES团队（shoes，鞋）仍在努力使用哈勃望远镜减小哈勃常数的测定误差，团队目标是把不确定性减少到1%。当前的望远镜，例如ESA的Gaia卫星（Gaia，希腊神话中大地之母，该卫星将测定大量恒星的视差）；以及未来的望远镜，比如詹姆斯·韦伯红外空间望远镜（JWST）、广域红外巡天望远镜（WFIRST），也将帮助天文学家更好地测定宇宙膨胀的速率。
在哈勃望远镜发射之前的1990年，哈勃常数的系统误差高达200%（当时主要有2派观点，一派认为在50左右，一派认为在100附近，译注）。随着1994年的哈勃升空，哈勃关键任务的河外星系距离标尺（Extragalactic Distance Scale）项目把测量误差降低到10%，圆满达成了哈勃发射的主要目标之一。自从2005年SHOES团队开工以来，哈勃常数的测定误差又降低了76%，现在只有2.4%了。里斯团队在2011年初发表的报告中，已经把误差降低到3.3%：http://www.astron.ac.cn/bencandy-3-4671-1.htm。
评论