宇宙学危机:无法统一的哈勃常数!

荒野冷风

在美国物理学会的四月份会议中，物理学家David Jones、Stephen Feeney 和 Bradford Benson 在一场主题为“宇宙学危机”的座谈上探讨了一个现在被许多人接受为真实存在的问题：哈勃常数问题。

○ 三位物理学家在APS四月会议上讨论了哈勃常数所带来的危机。 | 图片来源：APS

测量哈勃常数（用“H₀”表示）是宇宙学家最重要的任务之一，对它的精确测量能让我们知道宇宙究竟膨胀得有多快。然而，在过去五年中，宇宙学家开始意识到，不同的测量方法得到的哈勃常数并不一致！这个结果困扰了许多人，然而对于一些乐观的研究人员而言，这或许是引导我们发现新物理的重要线索。

这个问题始于2013年，当时旨在研究宇宙微波背景（CMB）辐射的普朗克卫星发表了第一次观测结果。（CMB描绘了一幅简单、几近光滑、且充满等离子体的早期宇宙的图景。）天文学家利用普朗克卫星观测了在不同尺度上产生的密度变化的峰值，并绘制了所谓的“CMB功率谱”。这张功率谱上编码了关于早期宇宙的几乎全部的信息。尤其是哈勃常数，它可通过峰值之间的距离进行重建。



○ CMB功率谱。 | 图片来源：APS

2013年，普朗克团队的第一次结果得出哈勃常数的值为67.3 ± 1.2km/s/Mpc，低于之前测量的结果（位于 70 - 75 km/s/Mpc区间）。2015年，普朗克卫星的科研团队再次发表了更加精确的测量结果：H₀ = 66.9 ± 0.6 km/s/Mpc。

而在普朗克团队公布之前，由诺贝尔物理学奖得主 Adam Riess 领导的“超新星H₀状态方程（SH0ES）”项目已经开始通过测量天体的距离来测量哈勃常数。为了估算天体的距离，David Jones表示他们专注于建立了所谓的“宇宙距离阶梯”，用已有的级来校准更远的。这是测量哈勃常数最标准、最古老的一个方法。



○ 测量哈勃常数的三个步骤。 | 图片来源：NASA

首先，天文学家需要通过视差法（parallax）直接测量出银河系中的一类被称为造父变星的脉动星的距离。从这一信息可以推断出造父变星的亮度，由于它们具有固有亮度，因此该亮度可以被当做“标准烛光”。接着，我们需要测量邻近星系中拥有同类型的造父变星的其它性质，从而得出这些星系的距离。最后，通过造父变星来校准比标准烛光更明亮、在更遥远的星系之中也能被观测到的Ia型超新星。基于这些步骤，SH0ES团队在2016年发表的观测结果为：H₀ = 73.2 ± 1.7 km/s/Mpc。这一结果与普朗克所测量的数值相差超过3个标准差，意味着在统计意义上具有巨大的难以理解的显著差异。



○ Riess领导的团队所测量的哈勃常数与普朗克测量的值相差3.4个标准差。在最新的测量结果中这个差异增加到3.7个标准差。 | 图片来源：Riess 2018

今年1月3日，Riess发表了对哈勃常数的最新测量结果为73.48 ± 1.66 km/s/Mpc，进一步确认了2016年的发现。

当这一差异首先被发现时，许多人认为可能存在着某些未被发现的误差，或者随着数据的增加以及测量越来越精确时它就自然而然地消失。但很显然，这种情况并没有发生。并且就在不久前（4月25日），Gaia卫星公布了第二份数据，其中包含了对近17亿颗恒星的高精度测量（详见：《追踪了十几亿颗恒星后，我们能学到什么？》）。在过去，天文学家一次只能测量几颗造父变星，但是Gaia却找到了50颗。Riess和他的同事分析了Gaia所包含的造父变星的数据，想要探究新数据是否会影响哈勃常数的差异。

Riess表示：“之前的结果不仅得到了确认，还被进一步加强了。” 在这次分析之前，这个明显的差异只是统计学上的巧合的概率为千分之一，但现在，它不是真实的可能性只有七千分之一[3]。

Stephen Feeney表示，尽管许多人都很关注这个问题，但并没有人能够找到任何关于测量的问题足以弥补这两者之间的差异。宇宙学家也讨论了是否已建立的标准宇宙学模型（即ΛCDM）需要被修正。这一理论被用于以CMB为基础的哈勃常数测量。但目前，所有对ΛCDM所提出的调整建议，都会或多或少的引入一些与其他数据的冲突。 Feeney 估计，让所有数据都可用统计学上的巧合和ΛCDM单独解释的可能性为60:1。



○ 根据ΛCDM，今天的宇宙是由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和仅仅为4.9%的“普通”物质（包括恒星、星系、气体、尘埃、等离子体、黑洞等等）所构成（左边）。早期的宇宙则拥有不同的成分（右）。 | 图片来源：NASA

去年，普朗克团队对他们的数据进行了一次更详细的分析。他们发现在最小角尺度上的CMB起伏对降低H₀的值有着最大的影响。来自费米实验室的Bradford Benson表示，当他们的团队只采用更大角尺度（大约高于0.2º）的数据时，他们得出的哈勃常数值与SH0ES的结果相一致。

Benson说，更小的角尺度比大尺度更能为ΛCDM中的一个特别的参数提供灵敏测试。这个参数便是宇宙中的中微子密度，且该密度应该正比于中微子种类的数量（在粒子物理学的标准模型中，共有三种中微子）。增加中微子的种类数量是少数几种能合理修正ΛCDM的方法之一，并能足以提高普朗克卫星所测量的H₀的值，以弥补测量上的差异。但这个解决方案还需要更多大质量的中微子，来避免与其他宇宙学数据集的分歧。当然，目前我们并没有发现第四种中微子类型存在的证据。

在会议上，Jones、Feeney和Benson都认为这个差异并不会消失，而且我们需要更多的数据来解释它的存在。例如，未来更多的双中子星合并事件辐射出的引力波将对H₀进行独立的测量。此外，升级后的南极望远镜和阿卡塔玛宇宙望远镜也将很快能够测量到更精确的CMB地图，以及Gaia卫星在未来也将提供越来越多更精确地视差测量。

○ 测量哈勃常数的三种方式：宇宙微波背景（普朗克）、双中子星合并（引力波）、宇宙距离阶梯（SH0ES）。双中子星合并所测量的值恰好介于其它两种方法之间，但由于这只是一次性事件，因此误差远大于另外两种。 | 图片来源：DOI:10.1038/nature24471

Benson认为，我们很有可能最终会得到一个“温和”的解释。但在另一个探讨会上，Riess则指出，过去在哈勃常数的值的问题上直接导致了重大的发现，包括暗能量的存在。因此，解决这两者测量之间的矛盾或许将帮助我们揭开暗能量的真实本质，发现超越物理学标准模型的新现象，甚至是揭示宇宙的最终命运。

参考来源：

[1] https://physics.aps.org/articles/v11/40

[2] http://meetings.aps.org/Meeting/APR18/Session/H07

[3] https://www.newscientist.com/article/2167573-our-understanding-of-the-universes-expansion-is-really-wrong/