一項被寄予厚望的新技術(shù)未能解決有關(guān)宇宙膨脹速度的爭議——至少目前如此。

　　最近幾年來(lái)，關(guān)于宇宙膨脹速度的兩種最準確的測量值存在相當大的分歧。宇宙學(xué)家寄希望于一種獨立方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，結果這種方法讓他們更迷茫了。

　　老年紅巨星是測量目前宇宙膨脹速度的一種新方法的焦點(diǎn)。

　　最新測量結果出自芝加哥大學(xué)天文學(xué)家Wendy Freedman領(lǐng)導的團隊，已于7月16日對外公布，即將發(fā)表在《天體物理學(xué)報》(Astrophysical Journal)上[1]。

　　Freedman團隊展示了一種利用紅巨星來(lái)測量宇宙膨脹速度的技術(shù)。這種技術(shù)有望取代天文學(xué)家已經(jīng)使用了一個(gè)多世紀的方法。但是，目前它所測量出的宇宙膨脹速度無(wú)法解決上述分歧，因為它落在了兩個(gè)本就互不一致的值中間。

　　“宇宙是在和我們開(kāi)玩笑嘛?”一名天體物理學(xué)家對此發(fā)了這樣一條推特。

　　“我們現在正在試圖搞清楚這些到底該怎么整合起來(lái)。”Freedman對《自然》雜志說(shuō)。如果無(wú)法解決宇宙膨脹速度的測量分歧，那可能意味著(zhù)宇宙學(xué)家用來(lái)解讀數據的某些基礎理論是錯的，例如對暗物質(zhì)性質(zhì)的假設。“基礎物理學(xué)上方高懸著(zhù)達摩克利斯之劍。”Freedman說(shuō)。

　　宇宙的測速儀

　　美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)等人于20世紀20年發(fā)現了宇宙正在膨脹。他們的依據是大多數星系都在遠離銀河系——越遠的星系遠離速度越快。速度和距離的大致比率被稱(chēng)為哈勃常數。哈勃發(fā)現，距離每多一百萬(wàn)秒差距(大約326萬(wàn)光年)，星系遠離的速度就會(huì )增加500千米/秒，所以在“每百萬(wàn)秒差距每秒千米”這個(gè)單位下，哈勃常數就是500。

　　在接下來(lái)的幾十年里，測量方法逐漸改進(jìn)，天文學(xué)家大幅下調了哈勃常數的估計值。Freedman于90年代率先使用哈勃太空望遠鏡測量了哈勃常數，得到了72這一數字，誤差是正負10%。至今為止最精確的測量值為74，誤差僅有正負1.91%，是由約翰·霍普金斯大學(xué)的諾貝爾獎得主Adam Riess帶領(lǐng)的團隊測出的[2]。

　　但是過(guò)去十年里的另一項獨立研究使事情變得更加錯綜復雜。歐洲空間局“普朗克”計劃的科學(xué)家們繪制出了大爆炸的遺留輻射圖，即宇宙微波背景(CMB)，并用它來(lái)計算宇宙的基本性質(zhì)。依據關(guān)于宇宙的標準理論假設，他們計算出的哈勃常數為67.8。

　　67.8和74之間的差距看似不大，但是由于兩種方法均有所改進(jìn)，已經(jīng)產(chǎn)生了統計顯著(zhù)性差異。因此，理論學(xué)家開(kāi)始懷疑是不是宇宙的標準理論有問(wèn)題。這個(gè)叫做ΛCDM的理論假設存在隱形的“暗物質(zhì)”粒子，以及神秘的斥力“暗能量”。但他們也沒(méi)能找到辦法來(lái)修正理論，使之能在和關(guān)于宇宙的其他一切觀(guān)察保持一致的前提下解決這個(gè)問(wèn)題。

　　“從ΛCDM里找線(xiàn)索很困難。沒(méi)有什么調一調就能解決一切問(wèn)題的竅門(mén)。”芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家Rocky Kolb說(shuō)。

　　Freedman的最新測量法更新了哈勃測量法中的一個(gè)關(guān)鍵要素，最終得到了69.8這個(gè)值。

　　測量哈勃常數最大的難點(diǎn)在于可靠地測量星系之間的距離。哈勃最初的估算法基于對較近星系的距離的測量。為此，他觀(guān)察了一類(lèi)被稱(chēng)為“造父變星”的明亮恒星。天文學(xué)家Henrietta Swan Leavitt于二十世紀初發(fā)現，這些恒星實(shí)際的亮度是可以預測的。因此，通過(guò)測量它們在照相版上顯示出的亮度，就可以計算出恒星有多遠。天文學(xué)家把這種標志性星體稱(chēng)為“標準燭光”。

　　自此之后，天文學(xué)家一直在嘗試尋找比造父變星更好的標準燭光，因為造父變星多存在于擁擠、多塵的區域，導致對其亮度的估算產(chǎn)生誤差。“唯一的解決方案是發(fā)展一種獨立的測量法。至今為止我們從未檢驗過(guò)造父變星測量法的精確度。”Freedman說(shuō)。她職業(yè)生涯中的大多數時(shí)間都用來(lái)改進(jìn)該方法的精確度了。“她知道每一個(gè)天體藏在什么地方。”Kolb說(shuō)。

　　Freedman和她的同事們完全繞過(guò)了造父變星，而選擇了紅巨星——已經(jīng)熄滅的老年恒星——作為標準燭光，同時(shí)選擇超新星爆發(fā)作為更遠的星系的指示牌。

　　巨星計算

　　紅巨星比造父變星要常見(jiàn)得多，很容易在星系的邊緣找到。在這些區域，恒星之間較為分散，也沒(méi)有宇宙塵的問(wèn)題。紅巨星的亮度變化較大，但是當我們考慮整個(gè)星系的全部紅巨星時(shí)，就有了一個(gè)很好用的特征。

　　紅巨星的亮度在數百萬(wàn)年的時(shí)間里逐漸增加，達到最亮的那一刻后就會(huì )迅速變暗。如果天文學(xué)家把一大群星體的顏色和亮度畫(huà)到圖上，紅巨星會(huì )顯示成一片點(diǎn)云，并且有著(zhù)明確的邊界。邊界上的星體就可以作為標準燭光。

　　Freedman團隊使用這個(gè)方法計算了18個(gè)星系和我們之間的距離，對哈勃常數的估算首次達到了可以和造父變星法相媲美的精確度。

　　Riess說(shuō)紅巨星法仍然需要對星系中宇宙塵的含量進(jìn)行一定假設，特別是大麥哲倫星云——這次研究中的一個(gè)基準點(diǎn)。他說(shuō)“宇宙塵很難估算。我認為肯定會(huì )有很多人討論”作者的研究方法為什么會(huì )推出一個(gè)較低的哈勃常數值。

　　Freedman團隊的研究結果和“普朗克”的數據以及Riess的造父變星計算結果在統計上是相容的，也就是說(shuō)誤差范圍有所重疊，而隨著(zhù)紅巨星數據逐漸積累增加，這個(gè)方法的準確度也會(huì )相應提高。很快就可能會(huì )超過(guò)造父變星法，Kolb說(shuō)。

　　紅巨星法的測量值可能會(huì )向另兩種測量方法的結果之一偏移，或者可能會(huì )保持不變，而另兩種測量方法的結果向它靠近。但是就目前而言，宇宙學(xué)家還有很多謎題要解答。
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