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宇宙膨胀速度存在争议?需要新物理学来解决?

下次你吃蓝莓(或巧克力片)松饼的时候,考虑一下在面糊里的蓝莓是怎么做的。蓝莓一开始都被压扁了,但随着松饼的膨胀,它们开始互相远离。如果你能坐在一颗蓝...

下次你吃蓝莓(或巧克力片)松饼的时候,考虑一下在面糊里的蓝莓是怎么做的。蓝莓一开始都被压扁了,但随着松饼的膨胀,它们开始互相远离。如果你能坐在一颗蓝莓上,你会看到其他所有的蓝莓都在远离你,但同样的道理也适用于你选择的任何蓝莓,从这个意义上说,星系很像蓝莓。自从大爆炸以来,宇宙一直在膨胀。奇怪的是宇宙没有一个地方在膨胀,而是所有的星系(平均而言)都在远离其他星系。

哈勃在2014年拍摄的宇宙彩色照片。图片:NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI

从我们银河系的角度来看,似乎大多数星系都在远离我们——就好像我们是松饼一样的宇宙中心。但是它看起来和其他星系完全一样——所有的星系都在远离其他星系。更让人困惑的是,新观测结果表明,宇宙膨胀速度可能会因你回望时间的远近而不同,发表在《天体物理学》上的新数据表明,是时候修正我们对宇宙的理解了。

哈勃的挑战

宇宙学家将宇宙的膨胀述为一个简单的定律,即哈勃定律(以埃德温·哈勃的名字命名),尽管事实上很多人都对哈勃的发现有过先入之见。哈勃定律是观测到更遥远的星系正在以更快的速度移动。这意味着,相对而言,距离较近的星系移动速度相对较慢。星系速度和距离之间的关系是由“哈勃常数”决定,“哈勃常数”大约是每秒44英里(70公里)每百万秒(天文学上的单位长度)。这意味着,一个星系每隔百万光年,每小时就能获得5万英里的速度,它离我们很远。在你读本句话的时间里,一个距离100万光年的星系移动了大约100英里。

从即将离开的亚特兰蒂斯号航天飞机上看到的哈勃太空望远镜,当时正在执行STS-125任务。图片:Wikipedia

宇宙的这种膨胀,伴随着附近星系比遥远的星系移动得更慢,这是人们对一个均匀膨胀的宇宙期望,这个宇宙有暗能量(一种导致宇宙膨胀加速的无形力量)和暗物质(一种未知的、无形的物质,比正常物质要常见五倍)。这是一个人在膨胀的松饼中也会观察到的蓝莓。测量哈勃常数的历史充满了困难和意想不到的启示。1929年哈勃认为它的数值应该是每百万光年34.2万英里每小时——大约是我们现在测量的10倍。多年来对哈勃常数的精确测量实际上导致了不经意间发现暗能量。对这种占宇宙70%能量的神秘能量的探索,激发了以哈勃命名的世界上(目前)最好太空望远镜的发射。

宇宙奇观

现在看来,由于两种高度精确的测量结果不一致,这种困难可能会继续下去。正如宇宙测量变得如此精确,以至于预期哈勃常数值将被一劳永逸地知道一样,人们发现事情并没有意义。现在有了两个引人注目的结果,而不是一个。一方面有新而非常精确的测量宇宙微波背景余辉(从普朗克任务),测量了哈勃常数约为每小时46200英里(67.4 km / s / Mpc)。另一方面,对本超星系群中跳动的恒星进行了新测量,同样非常精确,测量到哈勃常数为50400英里每百万光年(73.4公里/秒/Mpc),这些更接近我们的时间。

这两种测量结果都视为是正确的,而且非常精确。测量的不确定度仅为每百万光年300英里每小时,所以看起来在运动上确实有很大的不同。宇宙学家将这种分歧称为两种测量方法之间的“张力”——他们都在统计学上把结果往不同的方向拉,而且一定会有东西突然断裂。

新物理学?

那么会发生什么?目前尚无定论,可能目前宇宙模型是错误的。所看到的是附近膨胀的速度比根据更遥远的测量所预期的要快。宇宙微波背景测量不是直接测量局部膨胀,而是通过一个模型——宇宙模型来推断。这在预测和描述宇宙中许多观测数据方面非常成功。虽然这个模型可能是错误的,但是没有人能提出一个简单的令人信服的模型来解释这个,同时,解释观测到的所有东西。例如可以尝试用一种新的引力理论来解释这个问题,但是其他的观测结果并不适用。或者我们可以尝试用一种新的暗物质或暗能量理论来解释它,但随后进一步的观测并不适用——等等。所以如果张力是由新物理学引起的,那么它一定是复杂和未知的。

一个不那么令人兴奋的解释可能是,系统效应导致数据中存在“未知的未知”,更仔细的分析可能有一天会揭示一个被忽视的微妙效应。或者它可能只是统计上的侥幸,当收集更多的数据时,它就会消失。目前尚不清楚新物理、系统效应或新数据的结合将如何解决这种紧张关系,但必须有所作为。不断膨胀的松饼图可能不再适用了,宇宙学家们正在为赢得一场“伟大的宇宙烘焙大赛”来解释这一结果而努力。如果需要新的物理学来解释这些新的测量,那么结果将是我们对宇宙图景一种令人惊叹的变化。

博科园-科学科普|参考期刊文献 :《天体物理学》|研究/来自:The Conversation

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