难解之谜:我们的宇宙到底有多大?

来源:未知 编辑:渭南科普2021-04-07 22:20
   我们都知道,宇宙浩瀚无穷。但我们朝任何一个方向望去时,宇宙最遥远的可见区域大约在460亿光年之外。但这实际上,还只是我们的一个最佳估计,因为没有人确切知道,宇宙到底有多大。
  我们能看到的最遥远距离,是自宇宙大爆炸之后光传播的距离(或者更准确地来说,是从宇宙大爆炸中抛射出来的微波辐射)。大约138亿年前,宇宙在一场大爆炸中诞生,自此之后,宇宙一直在膨胀。但是由于我们并不知道宇宙的真正年龄,我们也就很难确定在我们看不见的范围之外,宇宙到底膨胀到了什么程度。
  天文学家曾尝试使用“哈勃常数”来确定宇宙的膨胀程度。这是当前宇宙膨胀速度的一个度量,哈勃常数可以确定宇宙的规模,包括宇宙的大小和年龄。
  我们不妨把宇宙类比称一个正在膨胀的气球。当恒星和星系(好比气球表面的斑点)越来越快地远离彼此时,它们之间的距离也越来越大。从我们眼中看去,就是某个星系离我们越是遥远,它黯淡下去的速度也就越快。
  不巧的是,天文学家测量哈勃常数的次数越多,我们基于对宇宙的理解所建立的预测便越站不住脚。一种测量方法直接给了我们一个确定的值,而另一种测量方法(取决于我们对宇宙其他参数的理解)则给出了不同的结果。要么这两种测量方法都是错的,要么就是我们对宇宙的理解存在缺陷。
  但是现在,科学家们相信,他们离答案不远了。当然,这一切,离不开旨在了解哈勃常数之本质的新实验和观察结果。
  作为宇宙学家面临的挑战其实是一个工程挑战:我们如何才能尽可能精确、准确地测量这个常数?要解决这个挑战,不仅需要获得测量的数据,还是以尽可能多的方式交叉检验测量方法。从一个科学家的角度来看,这更像是将拼图完整地拼凑起来,而非破解谜团。
  天文学家埃德温·哈勃在1929年对哈勃常数进行了首次测量,这个常数也正是以埃德温·哈勃的名字命名。首次测量将哈勃常数定为500km/s/Mpc,或者310miles/s/Mpc。Mpc表示百万秒差距,一个宇宙距离尺度,大约相当于326万光年的距离。500km/s/Mpc,即意味着,距离地球的距离每增加一个百万秒差距,星系远离我们的速度便加快500千米每秒。
  在哈勃首次估测宇宙膨胀率后的一个多世纪中,这个数值曾一次又一次地被向下修正。如今哈勃常数的值在67km/s/Mpc到74km/s/Mpc之间。一部分原因在于,测量的方式不同,哈勃常数也会有所不同。
  关于哈勃常数差异的大多数解释认为,测量哈勃常数值的方法有两种。第一种方法是观察银河系附近星系远离我们的速度,而另一种方法则选择使用宇宙微波背景(即宇宙大爆炸之后留下的第一束光)。
  我们至今仍可以观测到宇宙微波背景。但是,由于宇宙的遥远区域正离我们越来越远,这种光被拉伸成无线电波。上世纪六十年代,因一次偶然的机会,天文学家首次发现这些无线电信号。这些无线电信号也让我们有机会了解宇宙最早期的样子。
  两种互斥力——引力的内向拉力和辐射的外向推力,在宇宙诞生之初,上演了一场宇宙拔河比赛,所产生的扰动,至今仍以微小的温度差异的形式,存在于宇宙微波背景中。
  研究人员可以通过这些扰动,测量出宇宙大爆炸后不久,宇宙膨胀的速度,然后将其应用于宇宙学标准模型来推断目前的膨胀速度。这个标准模型,是目前对宇宙起源、宇宙组成以及我们今天所看到一切的最好解释。
  但是这里存在一个问题。当天文学家尝试用第一种方法——观察银河系附近星系远离我们的速度,来测量哈勃常数时,他们得到了一个不同的数值。
  如果标准模型是正确的,那么你会认为两种方法得出的结果——当前的测量结果和从早期观测中推导出的结果,应该是一致的。然而,事实并非如此。
  2014年,欧洲航天局的普朗克卫星首次测量了宇宙微波背景中的差异;2018年,又测量了一次。根据普朗克卫星的测量,哈勃常数的值为67.4km/s/Mpc。但是,这个数值,比弗里德曼等天文学家通过观察附近星系得出的测量值,低了9%左右。
  2020年,阿塔卡玛宇宙学望远镜对宇宙微波背景的进一步测量,与普朗克卫星的数据具有相关性。这帮助科学家从两个方面排除了普朗克卫星存在系统性问题的可能。那么,如果宇宙微波背景的测量是正确的,剩下的可能性只能是以下两个中的一个:1)测量附近星系发出的光,这种方法不对;2)宇宙学标准模型需要修改。
  天文学家使用的测量方法采用了一种特殊类型的恒星:造父变星。大约100年前,天文学家亨丽爱塔·勒维特发现了这种亮度会变化的恒星,变化的周期为几天或几周。勒维特发现,越明亮的恒星,变亮、变暗然后再变亮所需的时间越长。现在,天文学家可以通过研究这类恒星的亮度脉冲,来准确地判断恒星的真正亮度。通过测量我们在地球上观察到的亮度,再加上光线虽距离增加而变暗,我们可以精确地测量我们与恒星的距离。
  弗里德曼和她的团队是率先使用邻近星系中的造父变星来测量哈勃常数的人。他们使用的数据来自哈勃空间望远镜。2001年,他们测量到的哈勃常数值为72km/s/Mpc。
  从那之后,通过研究附近星系得出的哈勃常数值一直在72km/s/Mpc上下浮动。另一个也使用造父变星测量哈勃常数的团队,在2019年使用哈勃空间望远镜的数据,得出的结果为74km/s/Mpc。几个月之后,另一组天体物理学家以另一种不同的测量技术(涉及类星体发出的光)得出的哈勃常数值为73km/s/Mpc。
  如果这些测量是正确的,这说明宇宙膨胀的速度可能高于宇宙学标准模型下的理论所允许的膨胀速度。也就是说,现有的标准模型——以及我们基于该模型描述的宇宙本质,都需要更新。目前,答案尚不确定。但如果真的是这样,这将给我们了解的一切带来深远的影响。
  弗里德曼说:“这或许可以告诉我们,我们所认为的标准模型缺失了某些东西。我们现在还不知道为什么会这样,但这是发现原因的一个机会。”
  如果标准模型是错的,那么这可能意味着我们的一些模型——关于宇宙组成的模型,重子(或正常)物质、暗物质、暗能量与辐射的相对量的模型等等,并不十分正确。另外,如果宇宙膨胀的速度确实比我们想象的更快,那么宇宙的年龄可能也比目前公认的138亿年更年轻。
  关于哈勃常数值差异的另一种解释是,我们所在的宇宙部分与其他部分相比,存在不同或特殊之处,正是这种区别扭曲了测量结果。也许不是一个完美的比喻,但是你可以这么想,在上坡或下坡的时候,哪怕你用同样的力度踩油门,汽车的速度或加速度变化是不一样的。这不太可能是我们测量到的哈勃常数值差异的一个最终原因,重要的是我们不能忽视已经为得到这些结果所做的工作。
  但是天文学家认为,他们已经越来越接近确定哈勃常数值,以及哪一种测量方法是正确的。
  弗里德曼说:“令人兴奋的是,我认为,我们真的能够在相当短的时间里解决这个问题,不管是一年还是两三年。有很多即将出现的新技术,可以提高我们测量的准确性。最终,问题可以得到解答。”
  其中一个新技术在是欧洲航天局的盖亚空间望远镜。盖亚空间望远镜于2013年发射升空,一直在以高精确度测量约十亿颗恒星的位置。科学家正在使用一种被称为“视差”的技术,基于这些数据计算恒星之间的距离。当盖亚绕太阳运动时,该望远镜在太空中的有利观测地点也会发生变化。就好比你遮住一只眼睛去看物体,然后再遮住另一只眼睛去看物体,物体的位置看上去会不同。所以,在轨道周期内,盖亚可以在一年中的不同时间观测天体,进而让科学家得以准确计算出恒星远离我们太阳系的速度。
  另外一个可以回答哈珀常数值的设备是詹姆斯韦伯空间望远镜。这架望远镜将在2021年末发射升空。詹姆斯韦伯空间望远镜可以通过研究红外波长,进行更好的测量。这样的测量不会受到我们与恒星之间的尘埃的影响。
  但是,如果这些新技术依旧发现哈勃常数值存在差异,那么我们确实需要引入新的物理学了。尽管人们也已经提出很多理论来解释这种差异,但都无法完全解释我们看到的一切。每个潜在理论都有缺点。例如,有人提出,早期宇宙中可能存在另一种辐射,但我们已经精确测量了宇宙微波背景,所以这个可能性几乎为零。另一种观点是,暗能量可能会随时间而变化。
  这似乎是一个非常有前景的假设,但是目前,暗能量如何随时间变化可能也面临其他限制。暗能量似乎只能以一种不自然的方式随时间变化,看起来也希望渺茫。还有一个解释是,早期宇宙中存在暗能量,之后这些暗能量又消失了。但是,我们没有明显的理由,可以解释为什么暗能量起初存在而后又消失。
  因此,科学家们不得不继续探索新的可能性,解释眼下发生的一切。虽然现在我们还不知道合理的解释是什么,但这并不意味着以后不会有合适的想法出现。(匀琳)

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