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Dec. 28 2021

宇宙正在以超乎我們預期的速度膨脹

  • 這張由哈伯太空望遠鏡所拍攝的影像,是距離地球約 1億2000萬光年的螺旋星馬克仁1337(Markarian 1337)。2006 年天文學家在此星系觀察到某特定種類的超新星爆炸,提供研究人員決定宇宙目前膨脹速度所需的部分數據。IMAGE BY ESA/HUBBLE & NASA, A. RIESS ET AL.

    這張由哈伯太空望遠鏡所拍攝的影像,是距離地球約 1億2000萬光年的螺旋星馬克仁1337(Markarian 1337)。2006 年天文學家在此星系觀察到某特定種類的超新星爆炸,提供研究人員決定宇宙目前膨脹速度所需的部分數據。IMAGE BY ESA/HUBBLE & NASA, A. RIESS ET AL.

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哈伯太空望遠鏡的最新測量結果顯示,宇宙膨脹的速度比科學模型預測的還要更快──這暗示宇宙可能受到某種未知成分影響。

這是現代天文學最大的謎題之一:根據科學家對恆星和星系的多次觀測,發現宇宙膨脹的速度似乎比我們最佳的宇宙模型所預測的還要更快。跟這個謎題有關的證據已持續積累多年,一些研究人員甚至認為這是宇宙學領域一項迫在眉睫的危機。

現在,一群科學家利用哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)的觀測數據彙編出巨大的新資料庫。他們發現,這種差異為偶然的機率只有百萬分之一。換句話說,目前看來更有可能的狀況是,宇宙中仍有些天文學家尚無法確認的基本成分(甚至一些已知成分也可能產生出乎意料的影響)。

約翰霍普金斯大學的天文學家亞當.黎斯(Adam Riess)領軍這項最新的差異研究,他指出:「宇宙似乎帶給我們許多驚喜,這是件好事,因為這能幫助我們更深入理解宇宙。」

這個謎題稱為「哈伯衝突」(Hubble tension),以天文學家艾德溫.哈伯(Edwin Hubble)為名。他在1929年發現離我們愈遠的星系,遠離的速度愈快──這項觀測讓我們目前的宇宙概念成為可能:宇宙起源自大霹靂(Big Bang)後便不斷地膨脹。

研究人員主要使用兩種方式來測量宇宙目前的膨脹速度:測量鄰近恆星的距離,及測繪可追溯到新生宇宙的微弱光輝。在超過130億年的宇宙歷史中,這兩種方法讓我們得以測試對宇宙的理解。這些研究還發現了一些關鍵宇宙成分,像是「暗能量」(dark energy)──科學家認為這種神祕的力量是推動宇宙加速膨脹的動力。

但這兩種方法對當前宇宙膨脹速度所做出的計算約有8%的差異。這個差異聽起來可能不多,但若這個差異確實存在,那就代表宇宙現在的膨脹速度甚至超越了暗能量所能解釋的速度──這顯示我們對宇宙的理解出現了漏洞。

研究人員在12月初提交給《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal)數項研究成果,他們使用特定種類的恆星和恆星爆炸來測量我們和鄰近星系間的距離。資料庫中包含了對42顆不同恆星爆炸的觀測,數據量比規模第二大的同類分析多出兩倍多。研究團隊表示,他們的新分析和對早期宇宙測量結果之間的衝突已經達到了五個標準差,也就是粒子物理學中用來確認新粒子存在的統計閾值。

不過其他天文學家認為數據仍可能有些誤差,這表示哈伯衝突可能只是個統計瑕疵。

「我不知道這麼大的誤差是如何隱藏的,如果真是如此,過去還未曾有人提出。」團隊成員之一的杜克大學天文學家丹.斯科爾尼可(Dan Scolnic)表示:「我們已經檢查了所有的可能性,但沒有任何一種能提供合理解釋。」

宇宙微波和距離階梯

哈伯衝突來自各種測量或預測宇宙目前膨脹速度──也就是哈伯常數(Hubble constant)──的嘗試,天文學家可以利用哈伯常數來估計宇宙自大霹靂以來的年齡。

另一種測量哈伯常數的方法是仰賴宇宙微波背景(cosmic microwave background,簡稱CMB),這是宇宙剛誕生38萬年時形成的微弱光芒。像歐洲太空總署(ESA)普朗克天文臺(Planck observatory)等望遠鏡已測量了宇宙微波背景,提供了物質和能量在早期宇宙如何分布的詳細資訊,及背後的物理原理。

宇宙學家使用一個曾非常成功預測許多宇宙特性的模型──Lambda 冷暗物質模型(Lambda Cold Dark Matter model),在數學上能將嬰兒期宇宙快速推進到宇宙微波背景所見,並預測目前的哈伯常數。根據此模型預測,宇宙目前應以大約67.36公里/秒/百萬秒差距的速度膨脹(100萬秒差距等於 326 萬光年)。

相比之下,其他團隊藉由觀察「本地」宇宙──離我們比較近的現代恆星和星系──來測量哈伯常數。這樣的計算需要兩種數據:星系遠離我們的速度以及該星系和我們之間的距離。這反過來又需要天文學家發展所謂的宇宙距離階梯(cosmic distance ladder)。

這項新研究的宇宙距離階梯是由黎斯的研究小組SHoES構建,從測量我們與造父變星(Cepheid variable)這種恆星之間的距離開始。造父變星很有科學價值,因為它們的本質就像是已知瓦數的閃光燈,會規律地變亮和變暗,而且愈明亮的造父變星,脈動的週期就愈長。天文學家利用這個原理,可以根據它們的脈動速率,來估計更遙遠造父變星的內秉亮度,最後計算出這些恆星與我們之間的距離。

為了將這個階梯距離延伸得更遠,天文學家根據名為1a型超新星的恆星爆炸,增加了一些梯級。天文學家研究同時擁有造父變星和1a型超新星的星系,就能計算出超新星亮度和距離之間的關係。由於1a型超新星比造父變星要亮得多,因此能在更遠的地方觀察到這類天體,天文學家便能將它們的測量結果擴展到宇宙中更遙遠的星系。

考慮不同變異

問題是要準確測量所有這些恆星和超新星是非常複雜的工作。技術上說來,並非所有的造父變星和1a型超新星看起來都完全相同:有些可能有不同的成分、不同的顏色或不同類型的宿主星系。天文學家已經花了很多年的時間嘗試解釋這所有的變異性──但要確認一些隱藏的誤差源沒有從中作梗,其實非常困難。

為了解決這些問題,一個名為Pantheon+團隊的研究小組詳盡地分析了自1981年以來收集的1701個1a型超新星觀測。他們努力地量化所有已知的不確定性和偏差的來源。

杜克大學的斯科爾尼可與哈佛-史密森尼天體物理中心的研究員狄倫.布勞特(Dillon Brout)共同領導Pantheon+ 研究團隊,他表示:「我們關心的是像1991年11月的天氣和望遠鏡的觀測情況──這很棘手。」

研究團隊的發現為黎斯和SHoES研究小組的新分析提供了依據。在對可能影響造父變星觀測的因素進行了同樣詳盡的交叉確認後,他們得到了迄今最精確估計的哈伯常數: 73.04 ±1.04公里/秒/每百萬秒差距。這比普朗克天文臺測量宇宙微波背景所推斷出的數值高了約8%。

另外,研究小組竭盡所能地測試其他科學家對這項哈伯常數估計值高於普朗克所得數值的想法。研究人員對他們的分析共進行了67種不同的分析──其中許多都讓衝突變得更加嚴重。

「我認為,我們已經認真聽取了許多關切和爭論,」黎斯表示:「這並非只是簡單地變個魔法……我們也曾陷入許多摸不著頭緒的無底洞。」

未知的宇宙

不過近年來,芝加哥大學的溫蒂.弗里德曼(Wendy Freedman)致力研究如何不仰賴脈衝星來估計哈伯常數的方法。她反而是使用一群特別的紅巨星,它們的功能也像已知瓦數的燈泡。弗里德曼根據這些替代的「標準燭光」,或是說已知內秉亮度的天體,獨立估算出的哈伯常數為69.8公里/秒/每百萬秒差距──這介於其他兩個測量值之間。

弗里德曼指出,雖然團隊非常小心,但尚未發現的誤差可能仍會影響分析,也許會造成其實並不存在的衝突。她補充說明,有些不確定性的來源也無法避免。舉例來說,只有三個離銀河系夠近的星系,能讓我們直接測量其距離,而宇宙距離階梯就奠基在這三個星系上。

弗里德曼表示:「三是個很小的數字,但這就是大自然賦予我們的。」

Pantheon+和SHoES團隊對弗里德曼及其他人的結果進行了長時間的研究,他們有些不同的分析,檢驗若是將弗里德曼選擇的恆星,與造父變星和1a型超新星一起加入宇宙距離階梯,那會發生什麼事。根據他們的研究,若是將這些額外的恆星納入,會略微降低哈伯常數的估計值──但並沒有使衝突消失。

如果哈伯常數真的反映了我們的真實物理情況,那麼我們可能得在宇宙基本成分列表添加其他的因素,才有辦法解釋這種情形。

其中一個主要的競爭理論是早期暗能量,這種理論認為在大霹靂後約5萬年曾有過短暫的暗能量爆發。原則上,短暫的額外暗能量能夠改變早期宇宙的膨脹,這足以解決哈伯衝突,又不會對宇宙學的標準模型造成太大的干擾。

但若是如此,宇宙學家對宇宙年齡的估計值將從目前的138億年降為約130億年。

「這依然問題重重,為什麼我們得要引進一個突然出現又消失的新事物──這感覺有點好笑。」德州大學奧斯汀分校的天文物理學家麥可.博伊蘭-科爾欽(Mike Boylan-Kolchin)指出:「但我們的處境正是如此──如果這些事情真的有那麼大的差異,也許我們就必須得開始尋找宇宙中奇怪的角落。」

雖然有些線索已經浮出水面,但目前還沒有關於早期暗能量的決定性證據。今年9月,測量宇宙微波背景的智利阿塔卡馬宇宙學望遠鏡(Atacama Cosmology Telescope)團隊,宣稱含有早期暗能量的模型比標準宇宙學模型更符合其觀測數據。不過普朗克望遠鏡的數據並不支持這種說法,未來還需要更多的觀測數據才能揭開謎底。

其他天文臺應該也能幫助弄清楚哈伯常數的數值。像是自2014年以來一直在測繪銀河系的ESA蓋亞衛星(Gaia),愈來愈精確地估計銀河系許多恆星的距離,其中也包括了造父變星。而才剛發射的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope),也能幫助天文學家再度確認哈伯望遠鏡對某些恆星的觀測數據。

「我們正處於可能的邊緣,」弗里德曼說:「我們會追查到底。」

 

延伸閱讀:天文新發現,宇宙膨脹速度可能超乎預期! / 這顆繞行白矮星的行星或許揭示了太陽系的最終命運

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