難解之謎:我們的宇宙到底有多大?

北京時間3月30日消息,我們都知道,宇宙浩瀚無窮。但我們朝任何一個方向望去時,宇宙最遙遠的可見區域大約在460億光年之外。但這實際上,還只是我們的一個最佳估計,因為沒有人確切知道,宇宙到底有多大。

難解之謎:我們的宇宙到底有多大?

  自大爆炸以來,宇宙一直在膨脹,但膨脹的速度有多快?這個答案或許揭示,我們一直以來,自認為對物理學的一切理解,其實是錯的。

我們能看到的最遙遠距離,是自宇宙大爆炸之後光傳播的距離(或者更准確地來說,是從宇宙大爆炸中拋射出來的微波輻射)。大約138億年前,宇宙在一場大爆炸中誕生,自此之後,宇宙一直在膨脹。但是由於我們並不知道宇宙的真正年齡,我們也就很難確定在我們看不見的范圍之外,宇宙到底膨脹到了什麼程度。

天文學家曾嘗試使用「哈勃常數」來確定宇宙的膨脹程度。這是當前宇宙膨脹速度的一個度量,哈勃常數可以確定宇宙的規模,包括宇宙的大小和年齡。

我們不妨把宇宙類比稱一個正在膨脹的氣球。當恆星和星系(好比氣球表面的斑點)越來越快地遠離彼此時,它們之間的距離也越來越大。從我們眼中看去,就是某個星系離我們越是遙遠,它黯淡下去的速度也就越快。

不巧的是,天文學家測量哈勃常數的次數越多,我們基於對宇宙的理解所建立的預測便越站不住腳。一種測量方法直接給了我們一個確定的值,而另一種測量方法(取決於我們對宇宙其他參數的理解)則給出了不同的結果。要麼這兩種測量方法都是錯的,要麼就是我們對宇宙的理解存在缺陷。

但是現在,科學家們相信,他們離答案不遠了。當然,這一切,離不開旨在了解哈勃常數之本質的新實驗和觀察結果。

作為宇宙學家面臨的挑戰其實是一個工程挑戰:我們如何才能盡可能精確、准確地測量這個常數?要解決這個挑戰,不僅需要獲得測量的數據,還是以盡可能多的方式交叉檢驗測量方法。從一個科學家的角度來看,這更像是將拼圖完整地拼湊起來,而非破解謎團。

天文學家埃德溫·哈勃在1929年對哈勃常數進行了首次測量,這個常數也正是以埃德溫·哈勃的名字命名。首次測量將哈勃常數定為500km/s/Mpc,或者310miles/s/Mpc。Mpc表示百萬秒差距,一個宇宙距離尺度,大約相當於326萬光年的距離。500km/s/Mpc,即意味着,距離地球的距離每增加一個百萬秒差距,星系遠離我們的速度便加快500千米每秒。

在哈勃首次估測宇宙膨脹率後的一個多世紀中,這個數值曾一次又一次地被向下修正。如今哈勃常數的值在67km/s/Mpc到74Km/s/Mpc之間。一部分原因在於,測量的方式不同,哈勃常數也會有所不同。

關於哈勃常數差異的大多數解釋認為,測量哈勃常數值的方法有兩種。第一種方法是觀察銀河系附近星系遠離我們的速度,而另一種方法則選擇使用宇宙微波背景(即宇宙大爆炸之後留下的第一束光)。

我們至今仍可以觀測到宇宙微波背景。但是,由於宇宙的遙遠區域正離我們越來越遠,這種光被拉伸成無線電波。上世紀六十年代,因一次偶然的機會,天文學家首次發現這些無線電信號。這些無線電信號也讓我們有機會了解宇宙最早期的樣子。

兩種互斥力——引力的內向拉力和輻射的外向推力,在宇宙誕生之初,上演了一場宇宙拔河比賽,所產生的擾動,至今仍以微小的溫度差異的形式,存在於宇宙微波背景中。

研究人員可以通過這些擾動,測量出宇宙大爆炸後不久,宇宙膨脹的速度,然後將其應用於宇宙學標准模型來推斷目前的膨脹速度。這個標准模型,是目前對宇宙起源、宇宙組成以及我們今天所看到一切的最好解釋。

難解之謎:我們的宇宙到底有多大?

早期宇宙的微小擾動可以在宇宙最古老的光——宇宙微波背景——的波動中觀測到。

但是這里存在一個問題。當天文學家嘗試用第一種方法——觀察銀河系附近星系遠離我們的速度,來測量哈勃常數時,他們得到了一個不同的數值。

如果標准模型是正確的,那麼你會認為兩種方法得出的結果——當前的測量結果和從早期觀測中推導出的結果,應該是一致的。然而,事實並非如此。

2014年,歐洲航天局的普朗克衛星首次測量了宇宙微波背景中的差異;2018年,又測量了一次。根據普朗克衛星的測量,哈勃常數的值為67.4km/s/Mpc。但是,這個數值,比弗里德曼等天文學家通過觀察附近星系得出的測量值,低了9%左右。

2020年,阿塔卡瑪宇宙學望遠鏡對宇宙微波背景的進一步測量,與普朗克衛星的數據具有相關性。這幫助科學家從兩個方面排除了普朗克衛星存在系統性問題的可能。那麼,如果宇宙微波背景的測量是正確的,剩下的可能性只能是以下兩個中的一個:1)測量附近星系發出的光,這種方法不對;2)宇宙學標准模型需要修改。

天文學家使用的測量方法採用了一種特殊類型的恆星:造父變星。大約100年前,天文學家亨麗愛塔·勒維特發現了這種亮度會變化的恆星,變化的周期為幾天或幾周。勒維特發現,越明亮的恆星,變亮、變暗然後再變亮所需的時間越長。現在,天文學家可以通過研究這類恆星的亮度脈沖,來准確地判斷恆星的真正亮度。通過測量我們在地球上觀察到的亮度,再加上光線雖距離增加而變暗,我們可以精確地測量我們與恆星的距離。

弗里德曼和她的團隊是率先使用鄰近星系中的造父變星來測量哈勃常數的人。他們使用的數據來自哈勃空間望遠鏡。2001年,他們測量到的哈勃常數值為72km/s/Mpc。

從那之後,通過研究附近星系得出的哈勃常數值一直在72km/s/Mpc上下浮動。另一個也使用造父變星測量哈勃常數的團隊,在2019年使用哈勃空間望遠鏡的數據,得出的結果為74km/s/Mpc。幾個月之後,另一組天體物理學家以另一種不同的測量技術(涉及類星體發出的光)得出的哈勃常數值為73km/s/Mpc。

如果這些測量是正確的,這說明宇宙膨脹的速度可能高於宇宙學標准模型下的理論所允許的膨脹速度。也就是說,現有的標准模型——以及我們基於該模型描述的宇宙本質,都需要更新。目前,答案尚不確定。但如果真的是這樣,這將給我們了解的一切帶來深遠的影響。

弗里德曼說:「這或許可以告訴我們,我們所認為的標准模型缺失了某些東西。我們現在還不知道為什麼會這樣,但這是發現原因的一個機會。」

如果標准模型是錯的,那麼這可能意味着我們的一些模型——關於宇宙組成的模型,重子(或正常)物質、暗物質、暗能量與輻射的相對量的模型等等,並不十分正確。另外,如果宇宙膨脹的速度確實比我們想象的更快,那麼宇宙的年齡可能也比目前公認的138億年更年輕。

難解之謎:我們的宇宙到底有多大?

類似造父變星這樣的脈動恆星可以用來測量宇宙中的距離,並解釋宇宙膨脹的速度。

關於哈勃常數值差異的另一種解釋是,我們所在的宇宙部分與其他部分相比,存在不同或特殊之處,正是這種區別扭曲了測量結果。也許不是一個完美的比喻,但是你可以這麼想,在上坡或下坡的時候,哪怕你用同樣的力度踩油門,汽車的速度或加速度變化是不一樣的。這不太可能是我們測量到的哈勃常數值差異的一個最終原因,重要的是我們不能忽視已經為得到這些結果所做的工作。

但是天文學家認為,他們已經越來越接近確定哈勃常數值,以及哪一種測量方法是正確的。

弗里德曼說:「令人興奮的是,我認為,我們真的能夠在相當短的時間里解決這個問題,不管是一年還是兩三年。有很多即將出現的新技術,可以提高我們測量的准確性。最終,問題可以得到解答。」

其中一個新技術在是歐洲航天局的蓋亞空間望遠鏡。蓋亞空間望遠鏡於2013年發射升空,一直在以高精確度測量約十億顆恆星的位置。科學家正在使用一種被稱為「視差」的技術,基於這些數據計算恆星之間的距離。當蓋亞繞太陽運動時,該望遠鏡在太空中的有利觀測地點也會發生變化。就好比你遮住一隻眼睛去看物體,然後再遮住另一隻眼睛去看物體,物體的位置看上去會不同。所以,在軌道周期內,蓋亞可以在一年中的不同時間觀測天體,進而讓科學家得以准確計算出恆星遠離我們太陽系的速度。

另外一個可以回答哈珀常數值的設備是詹姆斯韋伯空間望遠鏡。這架望遠鏡將在2021年末發射升空。詹姆斯韋伯空間望遠鏡可以通過研究紅外波長,進行更好的測量。這樣的測量不會受到我們與恆星之間的塵埃的影響。

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詹姆斯韋伯空間望遠鏡上的18面黃金鏡片將捕獲宇宙中最古老星系發出的紅外光。

但是,如果這些新技術依舊發現哈勃常數值存在差異,那麼我們確實需要引入新的物理學了。盡管人們也已經提出很多理論來解釋這種差異,但都無法完全解釋我們看到的一切。每個潛在理論都有缺點。例如,有人提出,早期宇宙中可能存在另一種輻射,但我們已經精確測量了宇宙微波背景,所以這個可能性幾乎為零。另一種觀點是,暗能量可能會隨時間而變化。

這似乎是一個非常有前景的假設,但是目前,暗能量如何隨時間變化可能也面臨其他限制。暗能量似乎只能以一種不自然的方式隨時間變化,看起來也希望渺茫。還有一個解釋是,早期宇宙中存在暗能量,之後這些暗能量又消失了。但是,我們沒有明顯的理由,可以解釋為什麼暗能量起初存在而後又消失。

因此,科學家們不得不繼續探索新的可能性,解釋眼下發生的一切。雖然現在我們還不知道合理的解釋是什麼,但這並不意味着以後不會有合適的想法出現。(勻琳)

來源:cnBeta