暗能量之谜尚未解开,宇宙膨胀比想象更快 

暗能量之谜尚未解开,宇宙膨胀比想象更快

2016.4.11

关于宇宙膨胀的最新观测结果与基于早期宇宙的预测出现了偏差，可能引发标准天体物理学模型的变革。

欧洲太空局（ESA）/ 美国国家航空航天局（NASA）/ 哈勃空间望远镜

我们的宇宙正在远去，恒星与恒星之间，星系与星系之间，在越来越快地远离彼此。科学家们在上个世纪九十年代就发现了这样的现象，然而原因几何，一如我们给它起的名字，暗能量，始终是个谜。如今，最新的观测结果表明宇宙的膨胀速度甚至超出了之前将暗能量纳入考虑后的理论预测，更是把暗能量进一步推向了研究的热点。

研究人员通过观测得到最新的哈勃常数（用于表征宇宙膨胀速度），将其与之前基于早期宇宙观测结果预测得出的数值相比，发现了两者之间的偏差。这样令人疑惑的矛盾，其实在此前的观测数据中已有体现，现在又在新一轮观测和计算中得到证实。要解释它，也许是观测实验过程中出现了问题，也许是暗能量在其中发挥了超出理论预测的作用，又或许是一些我们全然不知的东西从中作梗。

“最重要的是，宇宙膨胀的实际速度，超出预测值8个百分点，而我们之前的预测，是基于对宇宙幼年期的观测结果和对其演化过程的理论预测。”该项研究负责人，来自空间望远镜研究所（Space Telescope Institute，位于马里兰州巴尔的摩市）的Adam Riess提到，“我们必须对此高度重视。”今年四月，他和他的同事向《天体物理学杂志》 （Astrophysical Journal）投稿，并在arXiv发布了该论文的预印版本，根据哈勃空间望远镜的观测结果阐述他们的研究成果。

暗能量的涟漪

对于这样的新发现，最令人兴奋的解释莫过于真正的暗能量可能比当今最前沿的理论模型描述得更加奇特。目前大多数的观测结果都表明暗能量起到的作用类似于爱因斯坦在他的广义相对论中加入又放弃的宇宙学常数。暗能量理论一般认为，暗能量在真空空间中产生，而这里所指的真空，根据量子力学，又并非绝对的真空，充满在这“真空”中的正反粒子对不断地产生和湮灭。对于反粒子，它们虽是虚拟粒子，但具有负能量，正粒子之间通过万有引力相互吸引，而反粒子之间便可能因为反引力而互相推斥，分开宇宙中的一切。

然而，哈勃常数观测值和预测值的偏差表明，暗能量实际上可能是随时间和空间变化的变量，从而对宇宙产生了比恒定推斥力作用更强的加速膨胀效果。提出这一设想的暗能量理论被称为精质（Quintessence）理论，这一理论认为，暗能量并非产生于真空，而是一种散布在时空中，并且在不同时空坐标下取不同数值的作用场，就像我们熟悉的引力场、电磁场一样。

而另一种解释是，宇宙中存在着一种仍未被我们发现的基本粒子，尤其可能是一种全新类型的中微子，正是它导致了哈勃常数的偏差。中微子是一种几乎没有质量的基本粒子，目前已知具有三种不同的类型，如果第四种类型的中微子真的存在，那么宇宙总能量中辐射所占的比重就会进一步增加（由于中微子质量几乎为零，速度接近光速，因此在这里视为辐射）。众所周知，物质在万有引力作用下趋向于聚在一起，而辐射反之，所以第四种中微子所增加的辐射量使宇宙比我们想象中更快地膨胀。

还有很多其他理论尝试解释这一观测和预测结果的矛盾。比如说，有理论提出，宇宙并非平坦，而是略微弯曲的。正当理论学家们兴奋地探寻更多的假说，完成这项观测实验的科学家们则在试图找到观测过程中可能导致数值偏差的瑕疵。“总的来说就是要么是因为宇宙学范畴内未知的因素，要么是因为我们的观测数据出现了问题”，来自约翰霍普金斯大学的Charles Bennett提到，“这么多试图解释它的理论，任何一个都比最后发现是数据出错要更令人兴奋，但是我认为可能事实就是实验过程存在瑕疵”。他参与了之前基于早期宇宙的哈勃常数测量，但并未参与到最新的研究中来。

丈量天地之梯

通过比较不同星系的红移效应（当宇宙膨胀，星系远离观测者时，接收到的电磁波波长会增加），Riess和他的团队推算出了宇宙膨胀速度。观测和计算星系与我们之间的距离需要借助距离梯子（distance ladder）的帮助。首先我们可以用可靠的方法观测得到离我们较近的星系的距离，然后用这些数据为去校正较远星系中变星的距离。变星，这里指造父变星（Cepheid），其亮度按固定周期、固定幅度循环变化，通过校正可得到造父变星准确的周光关系（变化周期与绝对星等的关系），这使得它们成为是天文学观测中的标准光源。最后，研究人员使用造父变星的数据，去校正一种名为1a型超新星爆发事件的距离，这种超新星爆发事件的绝对亮度是固定且已知的，产生的辐射向四周扩散，距离越远，接收到的辐射量就越低，由此可以推导得出它与我们之间的距离。一旦研究人员获得了较近距离的超新星爆发的准确距离，就可以把用它和更远的同类型的事件相比较，得出更远天体的精确距离。

这正是Riess和他的同事在20世纪90年代第一次发现宇宙加速膨胀的证据时所采用的技术。这一发现后来使他和其他两位科学家摘得诺贝尔物理学奖。2011年，他的团队通过观测多达八个造父变星和1a型超新星爆发事件，在新的论文中又增加了10个样本，进一步针对哈勃常数进行测量。“对于其中的每一个星系，我们在大约100天的时间内进行了12次观测”，来自德州农工大学的Samantha L. Hoffmann负责其中的数据分析工作，“这真是一个非常浩大的工程。”在最新的观测结果中，宇宙膨胀速度为73.02±1.79公里每秒每百万秒差距，这意味着你从地球瞬间移动至一百万秒差距（百万秒差距，距离单位，一百万秒差距约为三百万光年）之外，即使在此处停住，实际上你仍然随着宇宙在以每秒73公里的速度远离地球。

回首过去，展望未来

基于早期宇宙的哈勃常数测量，来自于对宇宙微波背景（大爆炸产生并弥散在整个宇宙中的电磁波）的观测。研究人员研究背景辐射中的特定图案，并基于最著名的宇宙学定律，将其推广至现代，从而推导得出哈勃常数。目前最好的微波背景观测结果来自欧洲太空局的“普朗克”人造卫星，通过它的观测数据计算得出的宇宙膨胀速度为67.3±0.7公里每秒每百万秒差距。

“在此之前，这两个观测结果就表现出许多矛盾之处”，Riess团队成员，来自芝加哥大学的Dan Scolnic提到，“如今我们和‘普朗克’团队重新分析了各自的数据，发现这些矛盾看起来更加明显和严重，我们认为这的确意味着一些重要的事情，或许就是宇宙学有史以来最大的危机。”

最新的结果也很好地符合了其他一些采用类似的距离梯子方法的哈勃常数观测实验的结果，例如2012年芝加哥大学的Wendy Freedman领导的研究。“我认为他们增加了实验样本，并得到了同样的结果，这可以说明一些问题了。”Freedman提到，“能做到这一点，这是很大的进步，但是我们需要完全独立于传统原理之外的方法来进行决定性的观测实验，所以这方面的研究最终会如何发展，现在下定论为时尚早。”如其所说，Freedman正致力于一项利用另一种宇宙学标准光源天体，天琴座RR型变星来测量哈勃常数的研究。

对于宇宙微波背景，科学家们也会继续分析数据，尝试找到其中的错漏之处。在“普朗克”计划之前，Bennett领导完成了一项名为威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）的宇宙微波背景测绘计划。他认为，宇宙微波背景辐射的数据的确也存在误差，比如由卫星观测范围的大小导致的误差等。“在我得出宇宙学层面的结论之前，我希望可以先去充分了解诸如此类问题的答案。”当然，无论如何，他还是对于这样的技术进步非常高兴。

“我们花了很多很多年的时间只为求得哈勃常数的精确值，从当初偏差了整整一倍到如今仅仅两个百分点的误差，我们正在比较的数据，都具有非常高的精确度，这是我们这个领域的工作者一直以来的愿望，现在我们的探索过程中出现了问题，但这也是在告诉我们，长路漫漫，唯有砥砺前行。”

翻译：刘卓 审稿：赵昌昊