科学家仍然不知道宇宙膨胀速度有多快

Lv.25变形虫

靓号：201486

林奈

【博科园-科学科普】自从哈勃首次发现星系的距离和它远离我们运动之间的关系以来，天体物理学家就开始测量宇宙扩张的速度。随着时间的推移，空间本身的结构也会延伸，而在引力作用下的物体之间的距离也会增加，这意味着每个人都应该看到宇宙以同样的速度膨胀。

膨胀宇宙的历史包括被称为大爆炸热的、稠密状态以及随后结构的演化和形成。但是定量地了解目前(以及过去)的扩张速度对于理解我们的宇宙历史和未来至关重要。图片版权：NASA / CXC / M. Weiss

然而，这个速度是今天在宇宙学上激烈的争论的主题。如果从宇宙大爆炸的余辉中测量出这个速度，那么哈勃常数就是67km / s / Mpc。如果从单个恒星，星系和超新星测量，则会得到不同的值：74 km / s / Mpc。谁是对的？谁是又错误的？这是当今科学界最大的争议之一。

宇宙的预期命运(前三幅插图)都对应着物质和能量对抗初始膨胀率的宇宙。在我们观测到的宇宙中，宇宙加速是由某种暗能量引起的，而这种暗能量至今还无法解释。图片版权：E. Siegel / Beyond the Galaxy

如果宇宙今天在膨胀，那就意味着它在遥远的过去一定更紧凑，更密集，甚至更热。事实是宇宙之间的距离越来越远，这意味着它们在很久以前就在一起。如果万有引力将大块物质聚集在一起，那么我们今天所看到的星系和空洞丰富的宇宙在数十亿年前必定更加均匀统一。

如果能测量今天的扩张速度以及宇宙中有什么？可以知道：

1、是否发生了大爆炸？

2、我们的宇宙有多大？（目前已知138.2亿岁）

3、否会永远的膨胀？

如果你能准确地测量出哈勃常数的值，你将能知道这些问题的答案。

明显的膨胀率(y轴)与距离(x轴)的图，与过去扩张得更快宇宙是一致的，但现在仍在扩张。这是一个现代版的，比哈勃的原作要远不止几千倍。注意，这些点不构成一条直线，表明膨胀率随时间变化。图片版权：Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al. (2014)

哈勃常数似乎是一个简单的量来衡量。如果能测量物体的距离和它远离的速度(从它红移)，这就是得到哈勃常数所需要的，这就是距离和衰退速度的关系。问题的出现是因为不同的测量哈勃常数的方法给出了不同的结果。事实上有两种主要的方法，每一种的结果都是不相容的。

TOP1、“距离阶梯”的方法

宇宙“距离阶梯”的建造包括从我们的太阳系到恒星到附近的星系到遥远的星系。每一个“步骤”都有不确定性；如果我们生活在一个密度低或过密的区域，它也会偏向于更高或更低的值。图片版权：NASA,ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

遥望远方的星系，它有多远？如果能测量其中的单个恒星，知道恒星是如何工作的，可以推断出这些星系的距离。如果能测量其中的超新星，就知道超新星是如何工作的，同样的会有一段距离。从视差(在我们自己的星系内)跳跃到造父变星(在我们自己的星系和附近的星系中)到Ia型超新星(在所有星系中，从附近到超遥远的星系)，并且可以测量宇宙的距离。当将其与红移数据结合起来时，始终在72~75km / s / Mpc范围内得到膨胀速率——对于哈勃常数来说，这是一个相对较高的值。

TOP2、“剩下的遗迹”方法

CMB最好的地图以及对暗能量和哈勃参数的最好限制。图片版权：ESA & the Planck Collaboration (top); P. A. R. Ade et al., 2014, A&A (bottom).

当宇宙大爆炸发生时，我们的宇宙形成了高密度和低密度的区域。在早期阶段，三个关键要素是暗物质，正常物质和辐射。引力的作用是使正常物质和暗物质都落入其中的高密度地区。辐射的作用是把这个多余的东西“推”出去（辐射出去），但是与普通物质相互作用的不同于暗物质。这就给宇宙留下了一组特定的尺度标记，随着宇宙的膨胀而增长。通过观察宇宙微波背景的波动或由于重子声波振荡引起的大尺度结构的相关性，我们得到的膨胀率在66-68km / s / Mpc范围内——哈勃常数较低的值。

重子声学振荡（Baryon Acoustic Oscillations）引起的聚类模式的一个例子，其中找到距离任何其他星系一定距离处的星系的可能性由暗物质和正常物质之间的关系决定。随着宇宙的扩展，这个特征距离也扩大了，使我们能够测量哈勃常数。图片版权：Zosia Rostomian

这两种方法的不确定性都很低，但也互不“兼容”。如果宇宙的物质和暗能量比我们现在想象的要少，那么“剩下的遗迹”方法上的数字就会增加，从而与更高的值对齐。如果我们距离测量的任何阶段都有误差，无论是视差、校准、超新星演化，还是造星距离，“距离阶梯”的方法都可能被人为地抬高。也有许多人赞成的可能性，真正的值介于两者之间。

艺术描绘了两颗合并中子星。涟漪的时空栅格代表着从碰撞中发出的引力波，而窄的光束则是在引力波(由天文学家探测到的伽马射线)后几秒钟射出的伽马射线。合并中子星可能提供一种测量宇宙膨胀率的新方法。图片版权：NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

最近有很多关于中子星碰撞的事情可以通过提供第三种独立的方法来解决这一问题。理论上可以收到的信号的幅度直接取决于合并的距离。观察足够多的，并（通过电磁跟踪）获得主星系的红移，并且已经测量了哈勃常数。但是，这第三种方法虽然很有说服力，却有其自身的一些不确定性，其中包括：

1、关于中子星合并参数的未知数

2、与宿主星系相关的奇特速度

3、和局部(附近)的空隙和扰动的膨胀率

在我们的星系中，一个没有物质的空间区域揭示了宇宙之外的宇宙，那里的每一个点都是一个遥远的星系。可以很清楚地看到集群/空洞结构。如果我们生活在一个密度较低的区域，这可能会影响到“距离阶梯”和合并中子星/标准警笛方法。图片版权：ESA/Herschel/SPIRE/HerMES

其中一些不确定因素与“距离阶梯”的方法相同。如果这种“标准警笛”方法(它即将被调用)与更高的72-75 km/s/Mpc相一致，比如在30次探测之后，这并不意味着问题就解决了。相反，有可能是系统的错误，或者所使用的方法固有的错误，会使你趋向于人为的更高值。当前两种方法给出不同的结果时，有第三种方法是很有帮助的，但是第三种方法并不是完全独立的，而且它本身也有不确定性。

CMB（绿色）和BAO（蓝色）数据的距离阶梯（红色）的现代测量张力。红点来自距离阶梯法; 绿色和蓝色来自“剩余的遗迹”方法。这些信息摘自“重子声学振荡测量的宇宙学影响”一文。图片版权：Aubourg, Éric et al. Phys.Rev. D92 (2015) no.12, 123516.

准确地了解宇宙膨胀的速度，是解释万物起源的关键因素，它是如何形成的，以及它的走向。所有参与的研究团队都非常小心，做非常出色的工作，随着测量越来越精确，紧张关系也只会增加。然而宇宙必须有一个单一的、整体的膨胀率，所以一定存在一个错误、错误或偏差，可能存在于多个地方。不过即使有了我们所有的数据也必须小心。有第三种方法并不一定是一种打破常规的方法；如果我们不小心，这可能会成为一种欺骗自己的新方法。误解宇宙并不会改变现实，所以要确保我们做的是对的。