宇宙學(xué)“危機(jī)”：不同測(cè)量方法得到不一樣的結(jié)果，究竟缺少了什么？

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡復(fù)合視角觀測(cè)到的蟹狀星云。該星云是在1054年發(fā)現(xiàn)的一顆明亮的超新星的余波。(圖片來(lái)源：NASA、ESA、NRAO/AUI/NSF和G.Dubner（布宜諾斯艾利斯大學(xué)）)

保羅·M·薩特是紐約州立大學(xué)石溪分校和Flatiron研究所的天體物理學(xué)家，《問(wèn)太空人》和《太空電臺(tái)》的主持人，《如何在太空中死去》的作者。薩特為Space.com的《專家之聲:視野與見(jiàn)解》撰寫(xiě)了本文。

你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)“宇宙學(xué)危機(jī)”：用不同的方法測(cè)量宇宙年齡得到了了不同的結(jié)果，而宇宙學(xué)家卻不知道為什么。

作為一名天體物理學(xué)家，以及一名宇宙學(xué)家，我對(duì)這個(gè)所謂的危機(jī)有自己的看法。

但首先，讓我們看看問(wèn)題是什么。

在一個(gè)角落：宇宙微波背景

要測(cè)量宇宙的年齡，你必須了解它的膨脹歷史。為了知道膨脹歷史，你需要做一些數(shù)學(xué)建模。數(shù)學(xué)模型在科學(xué)中很常見(jiàn)（事實(shí)上，它基本上就是科學(xué)），而在整個(gè)宇宙的情況下，數(shù)學(xué)模型就是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。

當(dāng)你將廣義相對(duì)論應(yīng)用于整個(gè)宇宙時(shí)，你會(huì)得到弗里德曼方程，一組方程將宇宙的內(nèi)容——比如，暗物質(zhì)、暗能量、輻射和其他任何物質(zhì)的相對(duì)數(shù)量——與當(dāng)時(shí)的膨脹速率聯(lián)系起來(lái)。

所以，測(cè)量這些東西，就得到年齡。

測(cè)量宇宙中有多少物質(zhì)的最好方法是通過(guò)宇宙微波背景輻射(CMB)，宇宙只有38萬(wàn)歲時(shí)留下的光。由于歐洲航天局的普朗克任務(wù)等成果，我們擁有精美的宇宙微波背景輻射地圖，這些地圖為我們提供了對(duì)宇宙組成極其詳細(xì)的分類(lèi)表。

CMB地圖沒(méi)有給我們暗能量的量。在宇宙微波背景輻射產(chǎn)生的時(shí)候，暗能量并不是什么東西，所以在我們的建模中，我們必須使用其他觀測(cè)結(jié)果，手動(dòng)增加暗能量。但一旦你這樣做了，你就可以把所有的東西都插入弗里德曼方程中，得到任何時(shí)間點(diǎn)（包括今天）的膨脹率，然后從那里決定宇宙的年齡。

在另一個(gè)角落：超新星

雖然這是對(duì)宇宙內(nèi)容的一種極其可靠的解釋，但它并不是直接的；它是在數(shù)十億年前創(chuàng)造的。另一種測(cè)量宇宙膨脹率的方法是……測(cè)量宇宙的膨脹速率。

一種方法是通過(guò)Ia型超新星，這是一種恒星爆炸，其中一顆恒星將其大氣層泄漏到鄰近的白矮星上，這是一顆死亡恒星的致密遺跡。一旦達(dá)到臨界值，白矮星就會(huì)膨脹，我們就會(huì)得到一顆超新星。

因?yàn)檎麄€(gè)宇宙的情況差不多，我們可以使用超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光。換句話說(shuō)，我們知道它們應(yīng)該有多亮，我們可以把它和它們看起來(lái)的亮度進(jìn)行比較。然后，我們可以用這些信息來(lái)估計(jì)超新星出現(xiàn)時(shí)宇宙的膨脹速率。

天文學(xué)家在20世紀(jì)90年代末使用這種方法發(fā)現(xiàn)了暗能量，從那時(shí)起，它就一直是宇宙學(xué)測(cè)量的基石。這是一種方便的技術(shù)，因?yàn)樗梢宰屛覀儨y(cè)量附近宇宙的膨脹速率（這叫做哈勃常數(shù)，即使它真的不是常數(shù)——但那是另一個(gè)故事）。也就是說(shuō)，它是相當(dāng)有限的；我們并沒(méi)有很多超新星，我們可以用它們來(lái)觀察更遙遠(yuǎn)的宇宙。

戰(zhàn)斗！

在天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗能量以來(lái)的20年里，我們遇到了一個(gè)小問(wèn)題：從宇宙微波背景輻射和超新星測(cè)量宇宙膨脹速率（以及宇宙的年齡）變得越來(lái)越精確，但他們開(kāi)始產(chǎn)生分歧。我們討論的不多；在估計(jì)宇宙的137.7億歷史時(shí)，這兩種方法只間隔了1000萬(wàn)年或2000萬(wàn)年。但值得一提的是我們的操作精度水平如此之高。

解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是說(shuō)我們對(duì)宇宙微波背景輻射的測(cè)量是有缺陷的。但普朗克宇宙微波背景輻射的測(cè)量是科學(xué)領(lǐng)域史上最精確的測(cè)量，自2013年首次數(shù)據(jù)發(fā)布以來(lái)的多年里，多次測(cè)試和檢查只鞏固了計(jì)算結(jié)果。

但因?yàn)槲覀冃枰謩?dòng)將CMB數(shù)據(jù)中添加暗能量，也許我們的模型缺少了一些關(guān)于這種力的東西。無(wú)論如何這也是一個(gè)巨大的謎團(tuán)，它并不瘋狂。也許暗能量隨時(shí)間而變化，或者與暗物質(zhì)有關(guān)，或者與其他東西有關(guān)。特別是，這種可以選擇的東西讓理論家們忙著寫(xiě)一篇又一篇論文，探索誘人的可能性。

最后，也許超新星的測(cè)量值有點(diǎn)偏差。當(dāng)然，它們是得到當(dāng)前擴(kuò)張率的一條更直接的途徑，但并非萬(wàn)無(wú)一失。恒星爆炸有些復(fù)雜，如果我們不能完全理解物理學(xué)的混亂，我們就不能用超新星作為精確的宇宙學(xué)探測(cè)器。要想消除整個(gè)危機(jī)，對(duì)超新星進(jìn)行建模時(shí)，只需要一點(diǎn)不確定性，整個(gè)危機(jī)就會(huì)消失。

就我個(gè)人而言，我認(rèn)為我們對(duì)超新星的理解并不像我們認(rèn)為的那樣多——我這么說(shuō)不僅僅是因?yàn)槲沂瞧绽士巳蝿?wù)的一員，并在宇宙微波背景輻射的分析中提供幫助?！拔C(jī)”是繼續(xù)寫(xiě)論文的一個(gè)好借口，因?yàn)?0多年來(lái)，我們一直被暗能量所困擾，做了很多工作，卻沒(méi)有太多理解。從某種意義上說(shuō)，許多宇宙學(xué)家希望讓危機(jī)繼續(xù)下去，因?yàn)橹灰C(jī)存在，他們除了倒計(jì)時(shí)下一個(gè)重大任務(wù)的年份之外，還有一些事情可以談?wù)摗?/p>

如果這很有趣，那可能是錯(cuò)的。解決危機(jī)最無(wú)聊的方法是承認(rèn)超新星并不像我們希望的那樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)膨脹率的探測(cè)。但這不會(huì)產(chǎn)生像危機(jī)那樣多的論文，我們的宇宙學(xué)會(huì)議也將不會(huì)那么有趣。因此，但至少目前而言，危機(jī)還將繼續(xù)下去。

這份報(bào)告沒(méi)有具體說(shuō)明新數(shù)據(jù)是何時(shí)獲得的，但指出了這些觀測(cè)是在天文學(xué)家注意到銀河系中一顆極其罕見(jiàn)的雙超新星之后進(jìn)行的。當(dāng)一顆相對(duì)較大的恒星耗盡燃料并爆炸，將物質(zhì)拋向周?chē)鷷r(shí)，就會(huì)產(chǎn)生超新星。

BY: Paul Sutter

FY: 夢(mèng)中識(shí)月

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