在圣巴巴拉一处离海岸仅几步之遥的会议室里一众天文学家与物理学家正坐立难安。窗外阳光和煦、海风轻拂可他们却闭门不出只为探讨物理学界的一大难题宇宙的膨胀速度究竟是多少。依托超新星恒星爆炸观测测算出的结果显示如今宇宙的膨胀速度比依据138亿年前宇宙大爆炸初期光线推算出的数值快约10%。而一项基于类星体高亮度天体观测得出的全新测量数据将二者的偏差推过了统计学上的“五倍标准差”临界值这意味着这一矛盾绝非偶然必须得到严肃对待。2019年7月15日会场前排两位诺贝尔物理学奖得主就此展开辩论探讨事态的严重程度。来自巴尔的摩空间望远镜科学研究所的宇宙学家亚当・里斯向理论粒子物理学家戴维・格罗斯发问粒子物理领域会如何定义如此巨大的数值偏差“如果我们观测到类似的现象…… 我们不会称其为数据矛盾或研究难题而是直接定义为一场危机。” 加州大学圣巴巴拉分校卡夫利理论物理研究所的格罗斯答道。参会学者随即纷纷用“危机”一词形容两组膨胀速率测算值的分歧但并非所有人都认同这一判断。就在当天晚间一篇研究论文在线发布直接推翻了“宇宙危机”的论调堪称物理学家圈内掷地有声的反转。这套改良后的超新星测算方法得出的哈勃常数用于量化宇宙膨胀速率的核心参数与宇宙早期观测数据的推演结果完全吻合。那么这场宇宙学危机究竟是否真实存在 这件事关乎重大直接动摇人类对宇宙物质构成、宇宙演化规律的基础认知。迄今为止标准宇宙学模型能够完美解释绝大多数宇宙观测现象可宇宙膨胀速率的测量偏差或许意味着这套核心理论需要大刀阔斧地修改。法国国家科学研究中心、蒙彼利埃宇宙与粒子实验室的理论物理学家薇薇安・普兰表示如果这种数值鸿沟无法用实验误差解释“那就说明在宇宙诞生之初存在某种我们完全未能理解的关键物理机制。” 倘若宇宙幼年阶段出现过未知物理现象——比如特殊形态的暗能量或是全新的亚原子粒子——就有可能改写人类对宇宙演化的认知甚至让两组相互冲突的观测数据达成统一。愈演愈烈的宇宙速率难题测算宇宙当下膨胀速度有一套方法是拍摄宇宙早期阶段再推演至当下。这张宇宙初生影像就是宇宙微波背景辐射源自大爆炸后仅38万年释放的原始光线。科学家依托标准宇宙学模型将这份远古光信号换算为现代宇宙的膨胀速率。采用这套方案普朗克卫星实验团队测算得出宇宙膨胀速率为每百万秒差距67.4千米/秒百万秒差距约合300万光年该结果误差极小仅±0.5 km/s/Mpc几乎没有浮动空间。但超新星观测给出的膨胀速率为74.0 km/s/Mpc误差±1.4 km/s/Mpc两组数据之间形成一道难以解释的鸿沟。杜克大学宇宙学家丹尼尔・斯科尼克参与里斯主导的SH0ES超新星项目他表示“如今整个学界都开始极度重视这个问题。” 本次会议上加州大学戴维斯分校宇宙学家劳埃德・诺克斯提出普朗克卫星的测量误差基本不可能造成如此巨大的偏差“这条路无法解决当下的危机”。除此之外另一套基于宇宙早期信号的观测手段——重子声学振荡原始声波痕迹结合其他观测数据后得出的结果同样与普朗克卫星数值一致。于是学界的疑虑集中到另一种可能性超新星观测存在未被发现的系统性误差这类固有偏差人为拉高了SH0ES项目测算出的膨胀速率。芝加哥大学宇宙学家温迪・弗里德曼坦言“我夜夜辗转难眠只担心我们只用单一观测手段时还有哪些未知的系统偏差没有被发现。” 弗里德曼决定亲自验证这套结论。测距困境想要测出宇宙当下的膨胀速度科学家需要两类核心数据遥远天体远离我们的退行速度以及天体与地球的真实距离。前者相对容易获取科学家观测天体光线的红移也就是光波被拉伸的现象即可判断退行快慢。测量天体距离则要棘手得多。天文学家使用“标准烛光”——一类亮度恒定、可量化的天体Ⅰa型超新星爆炸便是典型代表。就像现实中的蜡烛只要知晓其固有亮度就能根据光线衰减程度推算距离。搭建距离标尺需要一套“距离阶梯”以近地亮度稳定天体为参照作为桥梁推算遥远超新星的距离。SH0ES团队选用造父变星作为阶梯中的一环这类恒星亮度会周期性变化科学家可据此算出其绝对亮度。为了核验过往超新星测算结果弗里德曼团队彻底舍弃了这套方案。他们不再使用造父变星转而采用红巨星恒星演化到特定阶段会达到统一的亮度峰值。弗里德曼称这套方案从底层逻辑上和以往完全割裂。会议第二天弗里德曼在报告中公布团队成果相关论文也已被《天体物理学杂志》接收这一重磅反转震撼了一众向来沉稳的科研人员。她测算出的哈勃常数为69.8 km/s/Mpc恰好落在SH0ES高值与普朗克卫星低值中间。弗里德曼语气冷静而坚定反驳“宇宙危机”的说法认为该结果应当让学界暂缓下定论。H0LiCOW项目新证据支撑数值矛盾尽管弗里德曼的成果削弱了“危机论”的说服力但证明两组数据存在分歧的证据仍在不断增加。本次会议召开前数日H0LiCOW合作团队发布了两篇论文依托类星体引力透镜效应测算哈勃常数。类星体是星系中心超大质量黑洞驱动的高能亮源。大质量天体如同透镜一般弯折光线。研究团队观测到被引力透镜拆分出多重影像的类星体同一个天体在观测画面中会呈现两重甚至多重像原理类似鱼缸角落的鱼会出现重影。通过追踪多重类星体影像的明暗闪烁周期团队算出哈勃常数为73.3 km/s/Mpc进一步佐证宇宙膨胀速率存在矛盾。加州大学戴维斯分校宇宙学家陈志凡表示“我们的结果一出这种数值分歧看起来更加真实了。”关键在于该团队全程采用盲分析模式数据分析完成前研究者全程屏蔽最终数值避免主观上刻意贴合过往已公布的哈勃常数。陈志凡称即便采用盲分析规避主观偏差得出的数值依旧和SH0ES项目高度接近。与此同时哈佛-史密松天体物理中心天文学家马克・里德公布了基于巨脉泽的测算结果围绕黑洞旋转的气体云会释放特定波长的定向辐射类似激光。该方案算出的哈勃常数同样偏高约74 km/s/Mpc。会议现场还公布了另外两组观测数据依靠星系像素亮度起伏测算得出76.5 km/s/Mpc改良版超新星方案改用米拉变星替代造父变星、红巨星得出73.6 km/s/Mpc。德国波鸿鲁尔大学的亨德里克・希尔德布兰特表示另一项宇宙学谜题也逐渐获得学界关注表征宇宙物质聚集程度的参数σ₈不同观测手段得出的数值同样存在冲突。科学家通过全天巡天观测弱引力透镜星系图像出现轻微同向扭曲以此反推宇宙物质分布。和哈勃常数的矛盾如出一辙千度巡天项目测出的σ₈数值与宇宙微波背景辐射推演结果无法匹配。“σ₈数值矛盾是我们面临的第二个问题。” 希尔德布兰特说道。但他补充这项偏差的显著性更低相关研究也不够成熟、发表时间更短“可这个分歧同样迟迟无法消除。”部分学者开始思考两处数值矛盾是否存在内在关联。如果人类对宇宙的两大基础测算都出现偏差那就足以证明现有基础理论存在根本性缺陷。宇宙在向人类传递信号倘若各类数值分歧无法归因于测量误差人类就需要一套能兼容所有观测数据的全新理论可科学家至今没能找到一套逻辑自洽的完整解释。几乎任何微调宇宙演化模型的方案例如新增某种亚原子粒子都会和其他观测结果冲突彻底颠覆现有物理体系。宾夕法尼亚大学的狄龙・布鲁特表示“如今我们拥有海量观测手段探测宇宙很难构建一套简洁优美的理论既能通过全部观测检验又不催生新的数据矛盾。”其中一条可行思路是给驱动宇宙加速膨胀的神秘暗能量补充新机制。普兰团队在会议及6月7日《物理评论快报》中提出“早期暗能量”假说宇宙幼年阶段存在特殊暗能量在宇宙微波背景辐射形成时期改变了膨胀速率。得克萨斯农工大学的卢卡斯・马克里表示哈勃常数数值分歧并非首次出现该参数的测算历史上多次出现相互矛盾的结果。以往的案例中“宇宙仿佛在提醒人类我们的认知并不完整。” 例如早年曾观测到部分恒星年龄比宇宙本身更古老而这一悖论最终随着暗能量的发现得以解决。经过连日研讨所有观测证据汇总完毕。会议组织者发起现场举手投票哈勃常数的数值分歧应当定义为“数据矛盾”、“研究难题”还是“宇宙危机”现场宇宙学家们对推翻现有成熟宇宙理论仍持谨慎态度仅有寥寥数人举手选择“危机”。多数人认为无需重构基础物理理论就有可能找到合理的解释。但如果哈勃常数的谜题长期无法破解或许意味着宇宙又一次在向人类抛出全新的待解之谜。本文转载自 雪兽软件更多精彩推荐请访问 雪兽软件官网
