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May. 10 2019

天文新發現,宇宙膨脹速度可能超乎預期!

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  • 大麥哲倫星雲(Large Magellanic Cloud)是銀河系的衛星星系,在距離地球將近20萬光年之外圍繞著我們的銀河系打轉。當銀河系的重力輕輕地拉動大麥哲倫星雲裡的氣體雲時,這些雲氣坍塌形成新的恆星,像是萬花筒般的斑斕色彩因此照亮了大麥哲倫星雲。PHOTOGRAPH BY NASA, ESA. ACKNOWLEDGEMENT: JOSH LAKE

  • 1997年2月,發現號太空梭上的太空人在與軌道上的望遠鏡分開後,拍攝了這張哈伯太空望遠鏡的照片。PHOTOGRAPH BY NASA

哈伯常數(Hubble constant)是宇宙學中最重要的數字之一,但科學家最近發現的最新證據,讓哈伯常數的謎團更為撲朔迷離。

大麥哲倫星雲(Large Magellanic Cloud)是銀河系的衛星星系,在距離地球將近20萬光年之外圍繞著我們的銀河系打轉。當銀河系的重力輕輕地拉動大麥哲倫星雲裡的氣體雲時,這些雲氣坍塌形成新的恆星,像是萬花筒般的斑斕色彩因此照亮了大麥哲倫星雲。PHOTOGRAPH BY NASA, ESA. ACKNOWLEDGEMENT: JOSH LAKE

最新證據顯示,宇宙目前的膨脹速度比早期還要更快,這樣的差異讓科學家不禁好奇,宇宙中究竟有什麼樣的力量,可能造成這樣的後果。如果這項發現得到證實――宇宙膨脹的速度比預期還要快了9%,那我們對宇宙的基本認識可能得要重新修正了。

哈伯常數是測量宇宙年齡和膨脹速度的關鍵指標,但長久以來這個數字就一直充滿了爭議。最近有篇刊登在《天文物理期刊》的論文,就發表了關於哈伯常數的最新研究結果。

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最近幾年有許多研究表示,我們根據早期宇宙的微弱餘輝(也就是所謂的宇宙微波背景)所測量到的哈伯常數,與根據銀河系遙遠年輕恆星所估計得到的哈伯常數值有所不同,即使考慮了其他謎樣的宇宙力量,例如讓宇宙加速膨脹的暗能量,也是如此。

這篇論文的主要作者是約翰.霍普金斯大學的天文學家亞當.黎斯(Adam Riess),他曾因發現暗能量而成為2011年諾貝爾物理學獎的共同得主,他表示:「宇宙膨脹的速度超乎了我們的預期,這實在令人費解。」

有些人認為會有這樣的差異,是因為數據還不夠完整,或是有些系統性的錯誤而導致結果偏差。但黎斯和他的同事表示,根據哈伯太空望遠鏡對宇宙鄰近區域的最新測量結果,這樣的不一致性不但確有其事,而且比先前的差異還要更大。

在這項最新的研究中,黎斯的團隊所測量到的哈伯常數是74.03±1.42公里/秒/百萬秒差距,這與先前的數字並不一致。之前科學家根據歐洲太空總署的普朗克望遠鏡――目前測量宇宙微波背景的最好儀器――所得到的哈伯常數最佳估計值,是67.4±0.5公里/秒/百萬秒差距。以統計學的觀點來說,這兩個結果之間的差異大約是4.4個標準差,換句話說,這樣的差異是純粹偶然的機率,只有十萬分之一。

黎斯說:「用個比喻來說好了,這就好像我們測量兩歲孩子的身高,然後試著估計他們長大後會長多高。等到孩子長大後,我們又再測量他們的身高,如果結果超過預期,我們就會有些困惑,這表示我們還不太了解孩子是怎麼成長的。」

 

 

測量宇宙

科學家根據恆星的運動來計算哈伯常數,從而得知宇宙的膨脹速度。這需要知道兩種數據:恆星離我們有多遠,以及它遠離我們的速度有多快。

天文學家觀察恆星發出光線的變化,以測量恆星與我們之間的相對速度。此外,天文學家也會使用各種工具測量恆星與我們的距離,像是簡單的幾何關係,或是仔細觀察一種稱為「造父變星」的恆星。造父變星的亮度會規律地變亮又變暗,亮度脈動的週期與恆星的整體亮度有密切的關係:恆星愈亮,亮度脈動的週期就愈慢。

天文學家把造父變星的這種週光關係,作為宇宙的量天尺。我們可以測量造父變星的亮度脈動頻率,推算出恆星的發光強度。之後再將恆星的絕對亮度和我們所看到的恆星亮度相比較,就能知道恆星和我們的距離究竟有多遠。我們也可以將這種方法和某種類型的恆星爆炸觀測相結合,以測量宇宙中更深、更遠的距離。

多年來,天文學家一直不斷嘗試校準各項測量數據,努力讓這種「宇宙量天尺」更為準確。在這項研究中,黎斯的團隊使用哈伯太空望遠鏡來觀察我們銀河系的不規則衛星星系――大麥哲倫星雲中的70顆造父變星。他們能利用這些新數據,更準確地估計我們與大麥哲倫星雲之間的距離,這個數字能讓他們反過來更精確地推論哈伯常數。

1997年2月,發現號太空梭上的太空人在與軌道上的望遠鏡分開後,拍攝了這張哈伯太空望遠鏡的照片。PHOTOGRAPH BY NASA

另一種測量方法

如果宇宙膨脹的速度真的比我們預期的還要更快,那麼勢必有某種新的物理現象提供額外的加速力量。暗能量讓宇宙加速膨脹的能力,是否比我們所想像的還要更強大呢?還是暗物質比我們想像的還更複雜?或是宇宙中還有一些看不見的粒子,像是只透過重力與其他物質產生交互作用的「惰性微中子」(sterile neutrino)?

如果我們對宇宙的理解確實存在著不一致性,那麼我們可能會需要另一種獨立估計哈伯常數的方法――而且這樣的方法就在最近才獲得證實。2017年,科學家發現了重力波的時空漣漪,以及兩顆相互碰撞的中子星所發出的光線。這個歷史性的觀測,讓天文學家得以獨立得出哈伯常數的估計值。到目前為止,這個值恰好位於普朗克望遠鏡和宇宙量天尺所得到的數值之間。

但是,利用重力波這類「標準汽笛」事件來測量宇宙膨脹的有效程度,取決於像是雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)這樣的重力波探測器所觀測到的中子星事件數量。到目前為止,天文學家只確認了一個事件――但在4月25日上午,LIGO可能發現了另一次中子星互撞事件。但想要在遼闊的天空中確認重力波的來源非常具有挑戰性,這使得後續的望遠鏡觀測更加複雜。

與此同時,黎斯和世界各地的天文學家正努力讓哈伯常數的測量值更為精確,因為即使是小小的差異,也有可能是解開宇宙運作謎團的重要新線索。

「如果不確定性是百分之一或百分之二的時候,即使百分之九的差異也是個大問題。」黎斯表示:「我們有種感覺,宇宙仍然不斷地教導我們它有多麼奇妙。」

 

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