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约为125亿年,宇宙也许比我们以为的年轻

2019-08-16 10:10:44

里斯等科学家同时指出,两个数据之间的差异也许说明了我们对宇宙的认识仍然非常粗浅,还需要进一步的研究才能正确理解两个值的意义,从而找到洞察宇宙的关键拼图。 图中放大的部分为河外星系大麦哲伦云。(NASA网站/图)

(本文首发于2019年6月27日《南方周末》)

宇宙的年龄对人类来说是一个至关重要的问题,一项最新研究认为宇宙的年龄约为125亿年,比曾经公认的1 8亿年年轻1 亿年。两个数据的差异也许说明我们目前对宇宙的认识仍然非常粗浅。

在人类认识宇宙的过程中,确定宇宙的年龄也许是一项值得骄傲的成就。科学家手边并没有现成的“宇宙钟”来指示时间,他们只能去寻找带有宇宙年龄信息的蛛丝马迹。目前科学家估算出宇宙的年龄为1 8亿年左右,这个公认的结果也已经广为人知。但是一项最新研究却动摇了这个结论,该研究认为宇宙可能要比我们曾经认为的“年轻”1 亿年。

这项研究由供职于美国太空望远镜科学中心(STScI)和约翰霍普金斯大学的天体物理学家、2011年诺贝尔物理学奖得主亚当·里斯(Adam Riess)领导。他的团队于2019年5月在《天体物理学杂志》(TheAstrophysical Journal)上发表论文,宣布他们通过使用哈勃太空望远镜观测获得的数据,计算出宇宙膨胀的速度比此前的估计要快9%。由此导致根据宇宙膨胀速度计算出的宇宙年龄也要进行相应的调整,最新估算的宇宙年龄为125亿年。

不过,里斯等科学家同时指出,两个数据之间的差异也许说明了我们对宇宙的认识仍然非常粗浅,还需要进一步的研究才能正确理解两个值的意义,从而找到洞察宇宙的关键拼图。

加速膨胀的宇宙

在里斯领导的这项研究中,他们并不是找到了一种特殊的“钟表”可以去直接测量宇宙的年龄,而是通过对哈勃常数的测量来间接推算宇宙的年龄。因此,精确测量哈勃常数是正确估算宇宙年龄的关键。

哈勃常数以美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)的名字命名。1929年,哈勃在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了一篇论文,宣布他发现星系距离地球越远,退行速度越快,即退行速度与距离成正比。这个规律后来被称作哈勃定律,比例中的比值即为哈勃常数(H),哈勃当时给出的比值为500。此后的研究证明,哈勃大大高估了这个数值。从这个规律出发,当时的天文学家归纳出宇宙在膨胀的结论。

20世纪40年代后期,乔治·伽莫夫(George Gamow)等人发展出宇宙大爆炸理论。20世纪60年代宇宙微波背景辐射被证实之后,宇宙从大爆炸开始经过膨胀演化到今天,成为宇宙学的主流观点。但是宇宙的膨胀究竟是加速、减速还是匀速进行,当时却没有确定的结论,而这直接影响宇宙未来的命运。

20世纪80年代末90年代初,由索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)领导的研究小组以及由布莱恩·施密特(Brian Schmidt)和里斯领导的研究小组分别开始对遥远的Ia型超新星进行观测,以期探究宇宙膨胀的性质。这些超新星可以作为测量宇宙中的距离的“标尺”,而精确测距是回答宇宙如何膨胀的前提。1998年,两个小组独立发表了研究成果,均支持宇宙在加速膨胀的结论。2011年,三人因为这个发现共同获得了诺贝尔物理学奖。同时,这个发现直接引发了对何种力量推动宇宙加速膨胀的讨论,导致科学家提出占宇宙组成70%的“暗能量”以解释这种现象。

更加精确的测量

在研究宇宙膨胀时,里斯领导的团队就使用了哈勃太空望远镜对Ia型超新星进行观测。这些超新星距离地球非常遥远,甚至达到100亿光年以上,因此需要强大的望远镜才能进行观测,而于1990年发射升空的哈勃太空望远镜恰好能够满足观测的需要。

在发现宇宙正在加速膨胀之后,里斯于1999年从加州大学伯克利分校来到目前所在的机构,带领团队继续对宇宙膨胀的速率进行研究。从2005年开始,他带领一个名为SH0ES的团队使用哈勃太空望远镜对测量距离的方法进行改进,从而对哈勃常数的值进行优化。

摆在他和团队面前的难题仍是如何精确测量宇宙中的距离,从而计算出哈勃常数,这一次他们使用的“宇宙标尺”是造父变星。这类恒星的亮度随时间呈周期性变化,天文学家可以根据这种变化关系确定它们所在的星系与地球之间的距离。天文学家使用造父变星作为“标尺”来测量宇宙中的距离已经有一个世纪的历史,但是测量造父变星是一件费时费力的工作,对大量造父变星进行测量就更加困难。

为了解决这个问题,里斯的团队发明了一种新办法,称作DASH(Drift AndShift)。他们把哈勃望远镜当作一台傻瓜相机,来给特别明亮的造父变星拍摄快照。这样做的好处是不需要花费时间来对造父变星进行精确定向。研究团队中的科学家斯特法诺·卡塞尔塔诺(Stefano Casertano)在一篇发表于美国国家航空航天局(NASA)官网上的报道中表示,哈勃太空望远镜环绕地球一周需要90分钟,当它锁定造父变星进行精确定向时,它在一个周期内只能观测一颗造父变星。因此,他们改变策略,寻找彼此之间距离足够近的一组造父变星,这样在对它们进行观测的时候,哈勃太空望远镜就不需要再校准望远镜的指向。这些造父变星非常明亮,天文学家只需要观测2秒钟。这样一来在望远镜环绕地球运行的每个周期内,他们通过陀螺仪控制好望远镜的指向,就可以观测十几颗造父变星。

与此同时,一个由来自智利、美国和欧洲的研究机构的天文学家组成的研究团队正在进行一项名为“南洋杉计划”(Araucaria Project)的观测项目,他们希望对宇宙中的距离进行精确测量和修正。2019年 月,其中一个由来自波兰科学院哥白尼天文学中心教授格雷戈日·皮特任斯基(Grzegorz Pietrzyński)领导的小组在《自然》(Nature)上发表论文,宣布他们对地球与大麦哲伦云之间距离的最新测量值为大约161000光年,测量不确定度为1%。

里斯的团队将这个结果与哈勃太空望远镜的观测结果结合起来,可以对造父变星的真实亮度进行校准。在这次发表的论文中,他们公布了对大麦哲伦云中的70颗造父变星的观测结果。以此为基础,这个团队给出的哈勃常数的值为74km/s/Mpc。其中Mpc为百万秒差距,是天文学家在宇宙尺度上使用的距离单位,1Mpc相当于大约 0万光年。74km/s/Mpc这个结果表示的意思是,星系同我们之间的距离每多出 0万光年,这个星系远离我们的速度就要快出每秒74千米。

2018年7月,里斯团队曾经根据哈勃太空望远镜和欧洲空间局(ESA)的盖亚太空天文台(Gaia)的观测数据,将哈勃常数的测量不确定度降低到2.2%。这一次,他们更进一步,将测量不确定度降到1.9%,这也是迄今为止最为精确的测量。

差异从何而来

但是,随着这个团队测量的精确度不断提高,他们对哈勃常数的计算值与通过对早期宇宙膨胀的观测而得来的预期值仍然存在明显的差异,而后者的观测是由欧洲空间局的普朗克卫星(Planck satellite)完成的。它能够对宇宙微波背景辐射进行精确测量,也就是可以追溯宇宙大爆炸发生 8万年后的宇宙。

宇宙微波背景辐射是支持大爆炸理论的关键证据,其中蕴含着关于宇宙起源和演化的重要信息,因此自从被发现以来就是天文学家研究的热点。1989年,NASA的“宇宙背景探索者”卫星(Cosmic Background Explorer,COBE)发射升空。这个由约翰·马瑟(John Mather)和乔治·斯穆特(George Smoot)领导的项目帮助人类第一次精确测量了微波背景辐射谱,二人也因“对宇宙微波背景辐射和各向异性的研究”获得了2006年诺贝尔物理学奖。此后,NASA又于2001年发射了威尔金森微波各向异性探测器(WMAP),对宇宙微波背景辐射进行了进一步研究。2009年,ESA发射了普朗克卫星。从2009年到201 年,普朗克卫星对宇宙微波背景辐射进行了到目前为止最为精确的测量。根据普朗克卫星的观测数据,天文学家计算出今天宇宙的哈勃常数值为67km/s/Mpc。

由此可见,使用哈勃太空望远镜和普朗克卫星测量获得的数据计算出的哈勃常数存在显著的差异。关于宇宙年龄和宇宙膨胀速度(即哈勃常数)之间的关系,我们可以简单理解为宇宙从诞生开始演化到目前的状态,膨胀越快,所需时间越少。因此如果哈勃常数值为74而非67,那说明宇宙膨胀的速度比我们预期得更快,我们对宇宙年龄的估计值也要相应地下调。

针对如何理解两个不同的值,约翰·马瑟在接受美联社(AP)采访时说道:“两种不同的膨胀速率可以被归结于两点,一是我们尚未发现我们测量中的错误,二是自然中存在我们尚未发现的东西。”

不过,里斯并不认为现在的差异是人为错误导致的。事实上,至少现在天文学家无法把两个结果之间的差异归咎于某次测量中的错误或是某个方法上的不当。两个值都经过了严格检验。里斯表示:“我们正在测量的是在本质上不同的东西,一个是测量今天的宇宙正在以多快的速度膨胀,另一个则是一种预测,依据是早期宇宙的物理机制。如果两个值不相符的话,那就很有可能是我们在连接两个部分的宇宙学模型中遗漏了什么。”

在里斯等人发表的这篇论文中,他们也简要讨论了目前一些可能的解释。其中一种被称作“早期暗能量”,也就是暗能量除了在宇宙最初的膨胀过程以及今天的加速膨胀过程中扮演重要角色外,在大爆炸开始之后不长的一段时期内,暗能量同样发挥着作用,这就使得宇宙的膨胀要快于天文学家此前的预测。里斯也认为,早期暗能量的存在可以解释哈勃常数两个值之间的差异。另一种解释是,宇宙中存在“暗辐射”,其中包括已知的中微子,弄清这些成分的相互作用也许可以弥合哈勃常数两个值之间的差异。

面对这个棘手的问题,里斯目前也无法给出答案。他的团队会继续使用哈勃太空望远镜来减少哈勃常数取值的不确定度,他们的目标是降低到1%。这样一来,天文学家会有更坚实的依据来分析差异究竟从何而来。

宇宙的年龄对人类来说是一个至关重要的问题,这不仅关系到我们怎么认识宇宙,也关乎我们如何看待自己在宇宙中的位置。90年前,哈勃开辟了一条道路,使我们有机会回答这个问题。他曾经尝试过计算宇宙的年龄,但是由于他远远低估了星系之间的距离,导致他计算出来的宇宙的年龄甚至小于地球的年龄。不过,也正是在不断纠错的过程中,天文学家前赴后继,正在越来越接近真正的答案。

南方周末特约撰稿 鞠强

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