宇宙中有些東西不太對(duì)，至少根據(jù)物理學(xué)家目前所知的一切。隨著時(shí)間的推移，恒星、星系、黑洞和所有其他天體都在以更快的速度相互遠(yuǎn)離。過(guò)去我們?cè)谟钪娓浇臏y(cè)量發(fā)現(xiàn)，宇宙向外爆炸膨脹的速度比開(kāi)始時(shí)要快。根據(jù)科學(xué)家對(duì)宇宙的最佳描述，情況不應(yīng)該是這樣。

如果對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量是正確的，那就意味著目前的模型缺少了重要的新物理學(xué)，比如未被解釋的基本粒子，或者神秘物質(zhì)暗能量發(fā)生了奇怪的變化。現(xiàn)在發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》(Monthly bulletin of the Royal Astronomical Society)上的一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們以一種全新的方式測(cè)量了哈勃常數(shù)，證實(shí)了宇宙現(xiàn)在的膨脹速度確實(shí)比早期快。

博科園-科學(xué)科普：為了解釋宇宙是如何從一個(gè)微小的、熱的、稠密的液體等離子體微粒變成我們今天看到的廣大宇宙空間，科學(xué)家們提出了被稱(chēng)為L(zhǎng)ambda冷暗物質(zhì)(LCDM)的模型。該模型限制了暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)。暗物質(zhì)是一種施加引力但不發(fā)光的物質(zhì)，暗能量似乎與引力相反。LCDM可以成功地復(fù)制星系的結(jié)構(gòu)和宇宙微波背景（宇宙的第一束光）以及宇宙中氫和氦的數(shù)量。但是它不能解釋為什么宇宙現(xiàn)在比早期膨脹得更快。這意味著，要么LCDM模型是錯(cuò)誤的，要么宇宙膨脹速度的測(cè)量是錯(cuò)誤的。加州大學(xué)洛杉磯分校(University of California, Los Angeles)研究員、這項(xiàng)新研究的主要作者西蒙·比勒(Simon Birrer)說(shuō)：這種新方法的目的是最終解決關(guān)于宇宙膨脹率的爭(zhēng)論。

到目前為止，新的獨(dú)立測(cè)量結(jié)果證實(shí)了這種差異，表明可能需要新的物理學(xué)。為了確定哈勃常數(shù)，科學(xué)家們之前使用過(guò)幾種不同的方法。一些利用了局部宇宙中的超新星(宇宙附近的部分)，而另一些則依賴(lài)于造父變星，即在亮度上有規(guī)律地跳動(dòng)和閃爍的恒星類(lèi)型，還有一些人研究了宇宙背景輻射。這項(xiàng)新研究使用了一種技術(shù)，利用類(lèi)星體發(fā)出的光（由大質(zhì)量黑洞提供能量的極其明亮的星系）試圖打破這種束縛。諾貝爾獎(jiǎng)得主、約翰霍普金斯大學(xué)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所(Space Telescope Science Institute)研究員亞當(dāng)里斯(Adam Riess)說(shuō)：不管實(shí)驗(yàn)有多仔細(xì)，總有一些效果是內(nèi)置在他們用來(lái)測(cè)量工具里的。因此當(dāng)一個(gè)團(tuán)隊(duì)像這樣出現(xiàn)，使用一套完全不同的工具……得到相同的答案時(shí)

可以很快得出結(jié)論，這個(gè)答案不是技術(shù)上的嚴(yán)重影響造成，我認(rèn)為我們的信心正在增長(zhǎng)，相信確實(shí)有一些有趣的事情正在發(fā)生。這項(xiàng)技術(shù)的原理是：當(dāng)類(lèi)星體發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)一個(gè)介入星系時(shí)，這個(gè)星系的引力會(huì)導(dǎo)致光線(xiàn)在撞擊地球之前發(fā)生“引力彎曲”。這個(gè)星系就像一個(gè)透鏡，將類(lèi)星體的光扭曲成多個(gè)副本——最常見(jiàn)的是兩個(gè)或四個(gè)副本，這取決于類(lèi)星體相對(duì)于星系的排列。每一個(gè)副本在星系中都走了一條稍微不同的路徑。類(lèi)星體通常不像許多恒星那樣穩(wěn)定地發(fā)光。由于物質(zhì)落入中央黑洞，它們的亮度會(huì)以小時(shí)為單位變化到數(shù)百萬(wàn)年。因此，當(dāng)類(lèi)星體影像以不相等的光路徑被透鏡化成多個(gè)副本時(shí)，類(lèi)星體亮度的任何變化都會(huì)導(dǎo)致副本之間產(chǎn)生微妙的閃爍，因?yàn)閬?lái)自某些副本的光到達(dá)地球需要更長(zhǎng)時(shí)間。

通過(guò)這種差異，科學(xué)家們可以精確地確定我們離類(lèi)星體和中間星系有多遠(yuǎn)。為了計(jì)算哈勃常數(shù)，天文學(xué)家們將這段距離與物體的紅移進(jìn)行了比較，紅移指的是光譜中波長(zhǎng)向紅端移動(dòng)的距離(紅移表示隨著宇宙的膨脹，物體的光被拉伸了多少)。在過(guò)去，科學(xué)家們已經(jīng)研究過(guò)能產(chǎn)生四幅類(lèi)星體圖像或副本的系統(tǒng)發(fā)出的光。但是，在這篇新論文中，Birrer和合作者成功地證明了從只產(chǎn)生雙星圖像系統(tǒng)中測(cè)量哈勃常數(shù)是可能的。這極大地增加了可以研究的系統(tǒng)的數(shù)量，最終將使哈勃常數(shù)得到更精確的測(cè)量。四次出現(xiàn)類(lèi)星體的圖像非常罕見(jiàn)——整個(gè)天空中可能只有50到100個(gè)，而且不是所有的類(lèi)星體都亮到可以測(cè)量，然而雙透鏡系統(tǒng)的頻率要高5倍。

雙透鏡系統(tǒng)的新結(jié)果，加上之前測(cè)量的其他三個(gè)四透鏡系統(tǒng)，使哈勃常數(shù)的值為每秒72.5公里每百萬(wàn)秒；這與其他局部宇宙測(cè)量結(jié)果是一致的，但仍然比來(lái)自遙遠(yuǎn)宇宙(更古老或更早期的宇宙)的測(cè)量結(jié)果高出8%左右。隨著這項(xiàng)新技術(shù)被應(yīng)用到更多的系統(tǒng)中，研究人員將能夠確定遙遠(yuǎn)(或早期)宇宙和局部(更近)宇宙測(cè)量值之間的確切差異。到有一個(gè)非常精確的測(cè)量不一致的程度，因?yàn)樽罱K這將是一個(gè)線(xiàn)索，讓理論能夠說(shuō)明正在發(fā)生的事情。準(zhǔn)確測(cè)量哈勃常數(shù)不僅有助于科學(xué)家了解宇宙正在以多快的速度膨脹。在確定宇宙的年齡和遙遠(yuǎn)星系的物理大小時(shí)，這個(gè)值是必不可少的。它也為天文學(xué)家提供了暗物質(zhì)數(shù)量和暗能量的線(xiàn)索。至于解釋什么可能是奇異物理學(xué)可能解釋在膨脹率測(cè)量中的不匹配，那是一條很長(zhǎng)的路。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn):《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》

文: Mara Johnson-Groh, Live Science

DOI:?10.1093/mnras/stz200

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