9%的差异之谜 以下文章来源于公众号原理 作者:不二北斗 在极大和极小的尺度上,引力所施展出的作用并非如我们想象的那样。在极大的尺度上,我们的宇宙没有在引力作用下收缩,反而是在膨胀,并且是加速膨胀。用来判断宇宙的膨胀速率的一个重要参数是哈勃常数(H0)。哈勃常数是以天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)命名的,它在各种各样的宇宙学计算中都扮演者非常重要的角色,对宇宙的膨胀率和年龄的测量尤为关键。 因此,对天文学家来说,能准确地测量这个常数,就意味着他们离解决这个时代中的一些重大的天文学奥秘又近了一步。然而,很少有物理参数能像哈勃常数那样让天文学家焦躁不安。他们的问题在于,许多研究表明,从宇宙微波背景中测量得出的哈勃常数,与从更年轻的恒星中估算出的哈勃常数不一致。 在哈勃常数的数值上产生分歧并不少见,这是宇宙学中最古老的争论之一,在过去的90多年里,关于这个参数的具体数值的争论从未停止过,且各个阵营都似乎有非常充分的理由。哈勃在1929年发表了他对宇宙膨胀的测量,当时他对膨胀速率的估算是目前普遍接受值的7倍。近一个世纪过去了,围绕在这一数值周围的谜团仍然存在。 近年来,天文学家对这个数值的测量比以往任何时候精确。随着测量方法的改进,过去无关紧要的细微差异开始变得显著起来。现在,全世界有许多不同的科研团队都在试图精进对哈勃常数的测量以平息这场争论。 由约翰霍普金斯大学的亚当·里斯(Adam Riess)领导的SH0ES合作项目对哈勃常数进行了迄今为止最精确的测量。他们测量出哈勃常数为74.03 ±1.42 km/s/Mpc(Mpc是百万差距秒,这个数值意味着距离地球10百万秒差距的星系正在以740.3 km/s的速度远离我们)。这比被天文学界普遍接受的由普朗克卫星测得的67.4 km/s/Mpc高出9%。 哈勃常数的倒数与宇宙的年龄与有着直接的关系,也就是说,数值越大,我们宇宙的年龄就越小。如果我们接受哈勃常数的值正如SH0ES所测得的那样,比之前测得的要高出9%的话,那么由它推测出的将是一个年轻约10亿年的宇宙。 这两个哈勃常数的数值是通过不同的测量方法测得的。SH0ES团队观测的是年轻的天体,比如变星(亮度不断变化的恒星)和超新星。首先,他们计算出这些天体离地球的距离,然后利用多普勒频移法计算出这些天体的移动速度,由此推测出哈勃常数。普朗克卫星则利用了宇宙微波背景,它告诉天文学家的是从宇宙大爆炸的38万年后,膨胀速度为何,然后再由此推测出在130多亿年后,宇宙现在的膨胀速度应该为何。 那么这9%的差异源自何处?天文学家认为,纯粹由统计错误导致的可能性非常低,只有万分之一。 理论上,用这两种不同的方法应该得到相同的哈勃常数,而他们没能得出相同结果这一事实则表明,天文学家用来从宇宙微波背景辐射中预测哈勃常数的宇宙模型,可能存在一些轻微的错误。对此,里斯是这样描述的:“这就像你测量一个两岁孩子的身高。而据你对人体成长的理解,你知道从两岁到成年时,人的身高往往会翻倍,所以你就利用这条规则。接着再真正地测量这个人在成年时达到的身高是多少。如果他们比预期的要高一英尺,你就倍感惊讶。这就是我们现在的处境。” 解决这种差异的一种方法是收集更多的数据进行比较。这正是许多研究团队正在做的。其中一个是H0LiCOW合作组,这是一个由宇宙学家组成的国际研究团队,他们研究的是源自遥远类星体的光在巨大星系团周围时发生的弯曲,是第三种测量哈勃常数的方式,结果得到了与SH0ES合作组一样的答案。里斯说:“这两种方法彼此之间没有任何联系,这增强了我们的信心,它让我们相信,这不仅仅是这些步骤中的一个简单错误。” 除此之外,一些研究人员正试图用引力波来测量哈勃常数。就在最近,由普林斯顿的天体物理学家领导的研究小组,利用在2017年探测到的双中子星合并得出了一个新的哈勃常数的数值,这一测量运用的正是引力波技术。新的研究成果发表在了最新一期的《自然天文学》杂志上。 在2017年8月17日探测到的双中子星合并事件中,两颗中子星的质量几乎都是太阳的两倍多,在相撞前有着极高的运动速度。合并所产生的引力波形成了一种独特的波纹,根据这种引力波信号的形状,天体物理学家可以计算出引力波的强度,然后将计算的结果与探测到的信号强度进行比较,从而计算出合并发生的位置离我们的距离。 然而这存在一个问题,那就是引力波的强度会随它们相对于两颗中子星的轨道平面的发生变化。从地球的观测角度垂直于轨道平面,那么观测到的引力波就更强;如果观测角度是侧向于轨道平面,那么测得的引力波就更弱。 ○ 在射电波段对中子星合并后喷射出的物质进行观测,对确定合并前两颗中子星所在的恒星轨道平面的方向,以及由此确定向地球方向发射的引力波的“亮度”至关重要。从而使这类事件成为新的测量宇宙膨胀率的重要工具。| 图片来源:Sophia Dagnello / NRAO,AUI、NSF 因此,他们结合了来自世界各地射电望远镜的数据,测量了从爆炸中喷射出来的超高速物质喷流的运动,将这些数据与详细的流体动力学模拟相结合来确定方向角,从而得到了利用引力波来测得的距离。 通过这种方法,他们最终测得的哈勃常数值为70.3km/s/Mpc(介于65.3和75.6km/s/Mpc之间)。这一数值基本上处于SH0ES和普朗克卫星估计值之间,只不过它具有更大的不确定性。 有一些天文学家猜测,这种差异可能就是由人为错误导致的。例如斯坦福大学的一名物理学博士后Arka Banerjee就认为,系统误差有可能被低估了。Banerjee从事的是中微子研究的,因此拥有更精确的哈勃常数对他来说至关重要。 中微子是一类质量小到可以忽略不计的粒子,而测量它们的质量又是中微子物理学中一个悬而未决的主要问题。哈勃常数可以用来限制这一质量,并且可以帮助科学家确定是否存在一种他们尚未发现的隐藏中微子。Banerjee说,系统误差是在测量哈勃常数时所面临的一个很大的挑战。而目前看来,统计误差最小的两个团队,正是测量结果不一致的普朗克卫星和SH0ES。 究竟谁对的还有待观察。或许,我们可以翘首企盼的是当西蒙斯天文台、H0LiCOW、LIGO和其他这类研究合作组也能达到更高的精度水平时,能否一举解决哈勃常数的问题。或许不会太远。里斯说:“我不认为最后的结果是我们发现,‘原来物理学里的一切都错了!’这是整个宇宙历史的9%的差异。需要说明的是,我认为我们对事物的基本理解是正确的,只是存在一些问题而已。” 参考链接: [1] https://www.symmetrymagazine.org/article/the-9-percent-difference [2] https://www.nature.com/articles/s41550-019-0820-1 [3] https://www.princeton.edu/news/2019/07/09/princeton-astrophysicists-are-closing-hubble-constant