哈勃望遠鏡
使用美國宇航局哈勃太空望遠鏡的天文學家表示，他們已經越過了一個重要的門檻，揭開了測量宇宙膨脹率的兩種關鍵技術之間的差異。最近的研究表明可能需要新理論來解釋塑造宇宙的力量的情況。
簡要地說，宇宙每秒都在變大。星系之間的空間正在伸展，就像烤箱裡的麵糰一樣。但宇宙的擴張速度有多快？當哈勃望遠鏡和其他望遠鏡試圖回答這個問題時，他們在科學家預測和他們觀察到的東西之間遇到了一個有趣的區別。
根據宇宙在130億年前出現的情況，哈勃測量表明現代宇宙中的膨脹率比預期更快。這些早期宇宙的測量來自歐洲航天局的普朗克衛星。這種差異已在過去幾年的科學論文中得到確認，但尚不清楚測量技術的差異是否應該受到質疑，或者這些差異是否可能是由測量誤差引起的。
最新的哈勃數據降低了測量誤差，僅為十萬分之一的可能性。與不到一年前的早期估計相比，這是一個顯著的提升。迄今為止，這些最精確的哈勃測量結果，提供了可能需要用新物理理論來解釋這種不匹配的理由。
“在早期和晚期宇宙之間的哈勃張力可能是幾十年來宇宙學中最激動人心的發展，”太空望遠鏡科學研究所（STScI）和馬里蘭州巴爾的摩市約翰霍普金斯大學的首席研究員和諾貝爾獎獲得者亞當·里斯說。“這種不匹配一直在增長，現在已經到了一個真正不可能被視為僥倖的地步。這種差異似乎不可能偶然發生。”
宇宙距離階梯
此圖顯示了天文學家用來計算宇宙隨時間膨脹的速度的三個基本步驟，即稱為哈勃常數的值。所有步驟都涉及建立一個強大的“宇宙距離階梯”，首先測量到附近星系的準確距離，然後再移動到更遠和更遠的星系。這個“階梯”是對不同類型的天文物體的一系列測量，具有固有的亮度，研究人員可以使用它來計算距離。
擰緊'宇宙距離梯'上的螺栓
科學家使用“宇宙距離梯”來確定宇宙中物質的距離。這種方法取決於準確測量到附近星系的距離，然後使用它們的恆星作為里程碑標記，移動到更遠和更遠的星系。天文學家使用這些值，以及星系光通過拉伸宇宙時變亮的其他測量值來計算宇宙隨時間膨脹的速度，這個值稱為哈勃常數。Riess和他的SH0ES（狀態方程的超新星H0）團隊自2005年以來一直致力於通過哈勃望遠鏡改進這些距離測量並微調哈勃常數。
在這項新的研究中，天文學家使用哈勃望遠鏡觀察了大麥哲倫星雲中70顆稱為造父變星的脈動恆星。這些觀測有助於天文學家通過改進那些造父變星與他們在超新星銀河系中的更遠的表兄弟之間的比較來“重建”距離階梯。Riess的團隊將其哈勃恆定值的不確定性從早先估計的2.2％降低到1.9％。
隨著團隊的測量變得更加精確，他們對哈勃常數的計算與早期宇宙膨脹觀測得出的預期值保持一致。這些測量是由普朗克進行的，它繪製了宇宙微波背景，這是大爆炸後380,000年的遺蹟餘輝。
測量已經過徹底的審查，因此天文學家目前無法消除兩個結果之間的差距，因為任何單個測量或方法都會出現錯誤。這兩個值都經過了多種測試。
“這不僅僅是兩個不同意的實驗，”Riess解釋道。“我們正在衡量一些根本不同的東西。一個是衡量宇宙今天擴張的速度，正如我們所看到的那樣。另一個是基於早期宇宙物理學的預測，以及它應該有多快擴展的測量如果這些價值觀不一致，我們就很有可能在連接這兩個時代的宇宙學模型中遺漏了一些東西。“
新研究是如何完成的
一個多世紀以來，天文學家一直使用造父變星作為宇宙尺度來測量附近的星系間距離。但是試圖收穫一堆這些星星是非常耗時的，幾乎無法實現。因此，該團隊採用了一種聰明的新方法，稱為DASH（漂移和移位），使用哈勃作為“即取即拍”相機拍攝極其明亮的脈動星的快速圖像，從而消除了對精確的耗時需求指點。
“當哈勃通過鎖定導星使用精確定位時，它只能在地球周圍的每個90分鐘哈勃軌道上觀察到一個造父變星。因此，望遠鏡觀察每個造父變星是非常昂貴的，”團隊成員Stefano Casertano解釋說，還有STScI和約翰霍普金斯大學。“相反，我們搜索了一組彼此足夠接近的造父變星，我們可以在它們之間移動，而無需重新校準望遠鏡指向。這些造父變星是如此明亮，我們只需要觀察它們兩秒鐘。這種技術讓我們觀察到在一個軌道的持續時間內打造了造父變星器。所以，我們繼續使用陀螺儀控制並且非常快速地保持“自信”。
然後，哈勃天文學家將他們的結果與另一組觀測結果相結合，這是由南洋地區項目製作的，這是來自智利，美國和歐洲機構的天文學家之間的合作。該小組通過觀察光線的變暗來對大麥哲倫星雲進行距離測量，因為一顆恆星在它的夥伴面前經過雙星系統。
綜合測量結果幫助SH0ES團隊改善了造父變星的真實亮度。通過這個更準確的結果，團隊可以“拉緊”距離階梯其餘部分更深入太空的螺栓。
哈勃常數的新估計是74(km/s)/Mpc(Mpc表示百萬秒差距，大約為300萬光年)。這意味著，距離我們更遠的每隔330萬光年，由於宇宙的擴張，它似乎每秒移動74公里。這個數字表明宇宙的擴張速度比每平方米67(km/s)/Mpc，每公里的預測速度快9％，這是普朗克對早期宇宙的觀測，加上我們目前對宇宙的理解。
普朗克衛星
那麼，有什麼能解釋這種差異呢？
對不匹配的一種解釋涉及在年輕宇宙中意外出現的暗能量，據認為它現在佔宇宙內容的70％。約翰霍普金斯大學的天文學家提出，該理論被稱為“早期暗能量”，並暗示宇宙演變為三幕劇。
天文學家已經假設在大爆炸後的第一秒內存在暗能量並將物質推向整個太空，開始初始擴張。暗能量也可能是宇宙今天加速擴張的原因。新理論表明，大爆炸後不久發生了第三次暗能量事件，這使宇宙膨脹的速度超過了天文學家的預測。Riess說，這種“早期暗能量”的存在可以解釋兩個哈勃常數值之間的張力。
另一個想法是宇宙包含一個新的亞原子粒子，它接近光速。這種快速粒子統稱為“暗輻射”，並且包括先前已知的粒子，如中微子，其在核反應和放射性衰變中產生。
另一個有吸引力的可能性是暗物質（一種不是由質子，中子和電子組成的物質的不可見形式）與正常物質或輻射的相互作用比以前假設的更強烈。
但真正的解釋仍然是一個謎。Riess對這個棘手的問題沒有答案，但他的團隊將繼續使用Hubble來減少Hubble常數的不確定性。他們的目標是將不確定性降低到1％，這應該有助於天文學家找出出現差異的原因。
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