宇宙学模型可能被打破：新研究显示宇宙膨胀太快，物理学无法解释

贺兰石

最近有证据表明，宇宙在其一生中以不同的速度膨胀，这让天文学家感到困惑。科学家们说，新的发现有可能将紧张局势变成一场危机。

后发星团的哈勃太空望远镜图像。 （图片来源：NASA、ESA、J. Mack （STScI） 和 J. Madrid（澳大利亚望远镜国家设施）
哈勃的紧张局势变得更加紧张——新的测量表明，宇宙膨胀的速度超出了我们目前对物理学的理解所能解释的。
在过去的十年里，宇宙学卷入了一场日益严重的危机。首先由哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）和后来由詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）进行的观测表明，宇宙正在以不同的速度膨胀，这取决于天文学家所看到的位置。
现在，在我们自己的宇宙后院使用星系团的新结果进一步证实了这种差异，为宇宙学的重大重写打开了大门。研究人员于 1 月 15 日在《天体物理学期刊快报》（The Astrophysical Journal Letters） 上发表了他们的发现。
有两种黄金标准方法可以计算出哈勃常数——量化宇宙膨胀速度的值。第一个是通过测量宇宙微波背景 （CMB） 中的微小波动来获得的，CMB 是宇宙微波静态中包含的第一道光的古老快照，在大爆炸后仅 380,000 年产生。
第二种方法在更近的距离（在宇宙的后期生命中）使用称为造父变星的脉动恒星进行操作。造父变星正在慢慢消亡，它们的外层氦气在吸收和释放辐射的过程中增长和收缩，使它们像遥远的信号灯一样闪烁。
随着造父变星变亮，它们的脉动速度会更慢，使天文学家能够测量恒星的固有亮度。通过将实际恒星亮度与从地球上观测到的亮度进行比较，并使用 Ia 型超新星（在任何地方都以相同的光度爆炸）作为锚点，天文学家可以将造父变星的读数链接到“宇宙距离阶梯”中，以更深入地观察宇宙的过去。
但这就是令人头疼的地方。利用欧洲航天局的普朗克卫星测量 CMB，宇宙学家获得了大约每秒 67 公里/兆秒差距 （km/s/Mpc） 的哈勃常数。
这个结果，连同早期宇宙的其他测量结果，与宇宙学标准模型的预测是一致的。但造父变星距离梯测量结果很快就与造父变星的距离梯测量相矛盾，该测量结果显示宇宙的膨胀率为 73 km/s/Mpc——这个值远远超出了普朗克测量的误差范围，并清楚地表明宇宙的膨胀速度远超理论允许的速度。
天文学家对分歧的原因提供了各种解释，其中一些人试图梳理出结果中可能存在的系统性错误。与此同时，其他人通过越来越精确的距离梯子测量进一步巩固了紧张局势。
为了进一步研究这种紧张关系，这项新研究背后的团队使用了用暗能量光谱仪 （DESI） 的数据制成的距离阶梯，该仪器精确定位了数百万个星系的每月位置，以研究宇宙是如何膨胀到今天的。
然而，虽然原始的 DESI 数据为宇宙学的标准模型产生了同样令人不安的结果——哈勃常数为 76.05 公里/秒/Mpc，甚至进一步超出了普朗克测量的误差范围——但到附近后发星系团的梯子第一级距离的不确定性使研究结果变得混乱。
“DESI 合作完成了真正困难的部分，他们的梯子缺少第一级，”Scolnic 说。“我知道怎么得到它，我知道这将为我们提供我们能得到的最精确的哈勃常数测量之一，所以当他们的论文出来时，我放下了所有东西，不停地工作。”
为了确定 DESI 估计，Scolnic 和他的团队研究了散布在后发星团中的 12 种不同的 Ia 型超新星。他们发现，这个星团距离地球大约3.2亿光年——这个估计值在过去半个世纪的测量中已经失效了。
随着第一级的固定更加牢固，更新后的距离梯子返回了 76.5 公里/秒/Mpc 的结果，进一步证实了张力及其破坏宇宙学标准模型的可能性。然而，什么可以取代或修改这个已有 40 年历史的理论仍然不清楚。
“我们正处于一个阶段，我们正在对我们已经使用了二十五年的模型施加非常大的压力，我们看到事情并不匹配，”Scolnic 说。“这可能会改变我们对宇宙的看法，这令人兴奋！宇宙学中仍然有惊喜，谁知道接下来会有什么发现呢？