居然錯了？！韋伯望遠鏡的最新觀測結果，竟然摧毀了人類的100多年以來辛苦建立的宇宙學理論基石——哈勃常數，人類的宇宙世界未來還能重建麼？|2024 小葫蘆的宇宙頻道

在我們不斷膨脹的宇宙中 有些事情讓人困惑不解 近一個世紀前 天文學家埃德溫·哈勃 發現了宇宙的氣球狀膨脹 以及所有星系彼此之間的加速衝刺 隨着時間的倒退 我們目前對大爆炸是如何開始的 有了最好的理解 但在過去的十年裏 這幅圖畫中出現了一個令人震驚的漏洞 根據天文學家的觀察 宇宙膨脹的速度變化很大 現在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 用驚人的精確星觀測 鞏固了這種差異 這些觀測有可能顛覆 甚至取代已有40年曆史的 宇宙學的標準模型 約翰·霍普金斯大學 天文學教授亞當·里斯說 這是一個分歧 必須讓我們懷疑 我們是否真的瞭解宇宙的組成 和宇宙的物理學 Rice, Saul Perlmutter和Brian P. Schmieding 1998年發現暗能量 而獲得2011年諾貝爾物理學獎 暗能量是宇宙加速膨脹背後的神祕力量 這一點上 宇宙學家基本都認爲 宇宙始於一聲巨響 然後在一瞬間 年輕的宇宙就形成了 一個由物質和反物質粒子組成的膨脹 翻騰的等離子體肉湯突然出現 只是在接觸時相互湮滅 任由它們自己的性質 這個等離子體泥潭中的物質和反物質 應該已經完全相互吞噬了 但科學家認爲 一些未知的不平衡 使得產生的物質多於反物質 使宇宙免於立即自我毀滅 重力壓縮了等離子體 擠壓和加熱了物質 使聲波的傳播速度略高於光速的一半 稱爲衆子聲振盪 並在其表面產生聯誼 與此同時 早期宇宙擁擠的內容物的高能量密度 拉伸了時空 將一小部分物質 安全地從戰鬥中拉了出來 標準的故事是這樣的 當宇宙像氣球一樣膨脹時 普通物質凝結在看不見的暗物質團塊周圍 創造了第一個星系 由一個巨大的宇宙網連接在一起 最初隨着宇宙內容物的擴散 它的能量密度和膨脹率都降低了 但是大約50億年前 星系開始以更快的速度再次退縮 原因是另一個被稱爲 暗能量的看不見的神祕實體 如今對暗能量最簡單和最流行的解釋是 它是一個宇宙學常數 一種在任何地方 和每時每刻都相同的膨脹能量 並編織成時空的拉伸之物 愛因斯坦在他的《廣義相對論》中 將其命名爲Lambda 隨着宇宙的發展 它的整體物質密度下降 而暗能量密度保持不變 逐漸使暗能量成爲 其整體膨脹的最大貢獻者 將普通物質的能量密度 暗物質 暗能量和來自光的能量加在一起 設定了宇宙膨脹的速度上限 它們也是宇宙學的 Lambda冷暗物質模型的關鍵成分 該模型繪製了宇宙的增長 並預測了宇宙的終結物質 最終擴散的如此稀薄 以至於經歷了稱爲大凍結的熱劑 該模型的許多預測 但問題就從這裏開始 儘管進行了大量搜索 但天文學家對暗物質或暗能量 是什麼一無所知 大多數人都同意 宇宙目前的組成 是5%的普通原子物質 25%冷暗物質 和70%的暗能量 倫敦大學學院天文學教授奧弗拉哈夫 參與了暗能量的新系調查 令人尷尬的事實是 我們不瞭解其中的最後兩個 但對Lambda CDM的更大威脅已經實現 根據天體物理學家使用的方法 宇宙似乎以不同的速度增長 這種差異被稱爲哈勃張力 窺視早期宇宙的方法顯示 它的膨脹速度 比Lambda CDM預測的要快得多 這些方法 已經過無數次觀察的審查和驗證 因此在這一點上 我能理解他們不同意的唯一原因是 我們之間建立的模型 可能缺少一些東西 里斯說 測量宇宙的膨脹 需要的不僅僅是雷達槍 測量這種增長的第一種方法 着眼於所謂的宇宙微波背景 這是宇宙大爆炸後 僅38萬年產生的第一束光的遺蹟 這個印記可以在整個天空中看到 歐洲航天局的普朗克衛星 在2009年至2013年間繪製了它 以找到一個 不確定性小於1%的哈勃常數 在這張宇宙嬰兒圖中 宇宙幾乎完全均勻 但物質或多或少緻密的更熱 和更冷的斑塊 揭示了種子升學震盪 使它聚集的地方 當宇宙向外爆炸時 這種肥皂泡結構膨脹到宇宙網中 一個由縱橫交錯的骨線組成的網絡 沿着這些骨線的交匯星系相誕生 然後天文學家觀察 每個梯級上恆星和超新星的距離 並比較隨着宇宙膨脹 它們的光被紅移了多少 這樣可以精確測量哈勃常數 2019年 李斯和他的合作者使用了這種方法 他們在銀河系最近的鄰居之一 大麥哲倫星雲上 訓練了哈勃太空望遠鏡 它們的結果是爆炸性的 與普朗克測量值相比 膨脹率高達74每秒每兆秒差距 令人難以置信 然而 哈勃望遠鏡對團隊正在研究的擁擠空間區域 缺乏必要的精確度 導致一些遙遠的造父變星 模糊成臨近的恆星 持不同意見的宇宙學家 還有一些空間可以爭辯說 無論結果多麼令人震驚 都可能來自測量誤差 因此 當JWST於2021年12月推出時 它準備要麼解決差異 要麼鞏固它 JWST的鏡面寬6.5米 幾乎是哈勃望遠鏡的3倍 哈勃望遠鏡的鏡面只有2.4米寬 JWST不僅可以探測到 比哈勃望遠鏡暗100倍的物體 而且在紅外光譜中也更加靈敏 使其能夠在更寬的波長範圍內看到 通過將JWST在NGC4258星系中 測量的造父變星 與遙遠星系中明亮的IA型超新星進行比較 李斯和他的同事們 得出了幾乎相同的結果 73每秒每兆秒差距 包括弗裏德曼用哈勃太空望遠鏡 對最明亮的分支尖端紅巨星 快速變量所做的測量 以及另一項 被大質量星系引力彎曲的光 分別返回了69.6和66.6 每秒每兆秒差距的結果 使用光彎曲的單獨結果 也給出了73每秒每兆秒差距的值 CMB溫度的測量精度爲1% 造父變星距離階梯測量接近1% 加州大學莫塞德分校的宇宙學家 Ryan Keeley一直致力於解釋哈勃張力 因此每秒7公里的差異 即使不是很大 也不太可能是隨機的機會 有一些明確的事情要解釋 通過用普朗克衛星研究這些聯依 宇宙學家推斷出常規物質和暗物質的數量 以及宇宙學常數或暗能量的值 將這些帶入λCDM模型中 哈勃常數約爲每百萬光年46200英里每小時 或每兆秒差距約67公里每秒 兆秒差距是326萬光年 讓我們暫停一下這個數字 如果一個星系距離我們1兆秒差距 這意味着它將以每秒67公里的速度從我們撤退 在20兆秒差距時 這種衰退增長到每秒1340公里 並繼續呈指數級增長 如果一個星系距離我們超過4475兆秒差距 它將以超過光速的速度從我們身邊退去 找到這種膨脹率的第二種方法 使用稱爲造負變星的脈動恆星 垂死的恆星具有氦氣外層 當它們吸收和釋放恆星的輻射時 它們會增長和收縮 使它們像遙遠的信號燈一樣 週期性地閃爍 1912年 天文學家亨利·埃塔斯·望萊維特發現 造負變星月亮 它的閃爍速度就越慢 使天文學家能夠測量恆星的絕對亮度 從而測量其距離 這是一個具有里程碑意義的發現 它將造負變星變成了豐富的標準蠟燭 來測量宇宙的巨大規模 通過將脈動造負變星的觀測結果串在一起 天文學家可以構建宇宙距離階梯 每個梯級都將它們帶回過去 爲了建立距離階梯 天文學家通過選擇附近的造負變星 來構建第一個梯級 並根據脈動光與幾何學發現的距離 進行交叉檢查 下一個梯級 新的結果使答案懸而未決 將宇宙學家分成了幾個派別 追逐截然不同的解決方案 在哈勃太空望遠鏡的結果之後 2019年在加利福尼亞州 卡夫利理論物理研究所舉行的一次會議上 官方試圖解決這個問題 這隻會引起更多的挫敗感 目前尚不清楚如何解決問題 里斯正在對λCDM模型進行調整 該模型假設暗能量不是恆定的 而是根據未知的物理學 在宇宙的生命週期中演化 然而 Keeley發表在物理評論快報雜誌上的研究 與此相矛盾 他和他的同事們發現 膨脹率與λCDM的預測相符 一直追溯到CMB 因此 如果模型需要在任何地方修復 它很可能在非常早期的宇宙中 在宇宙微波背景出現之前 有可能增加一些額外的暗能量 爲宇宙的膨脹提供一些額外的魅力 而不必使其脫離標準模型 另一組天文學家則認爲 問題可能出在暗物質上 暗物質是一種不與光 或其他電磁輻射相互作用的神祕物質 它佔據了宇宙物質的大部分 暗物質的存在 只能通過它對可見物質的引力影響來推斷 例如使星系旋轉得更快 或者使光線彎曲 暗物質的本質仍然是一個謎 但一些理論物理學家認爲 它可能是由一種 稱爲軸子的超輕粒子組成的 軸子是一種假想的粒子 它被引入來解決強合力的一個問題 即爲什麼它不違反物理學的一個基本對稱性 如果軸子是暗物質的組成部分 那麼它們可能會在宇宙的早期 產生一種新的引力效應 稱爲超流暗物質 這種效應會使暗物質的密度分佈發生變化 從而影響宇宙的膨脹速度 這是一種非常優雅的解決方案 因爲它不需要引入任何新的物理學 拉哈夫說 它只是利用了我們已經知道的一些東西 但以一種新的方式 然而並非所有人都對這種解釋感到滿意 一些宇宙學家認爲 這種差異可能只是由於觀測誤差 或統計偶然造成的 而不需要任何新的物理學 我認爲我們還沒有達到這種程度 我們可以說 我們一定需要一些新的物理學來解釋這個問題 弗裏德曼說 我認爲我們需要更多的數據 更多的獨立的測量方法 以及更多的對系統誤差的理解 爲了解決這個問題 天文學家正在尋找新的方法 來測量宇宙的膨脹 例如使用引力波 這是由兩個相互旋轉的黑洞 或中子星合併產生的時空扭曲 引力波可以作爲另一種標準蠟燭 因爲它們的強度和頻率 與合併的質量和距離有關 引力波是一種非常有前途的方法 因爲它們與電磁輻射完全不同 它們可以給我們一個完全獨立的視角 來檢驗我們的模型是否正確 然而要利用引力波來測量哈勃常數 天文學家需要同時觀測到合併的光學信號 這是一種罕見的事件 目前只有一個這樣的事件被記錄下來 它給出了一個與其他方法相一致的結果 但不確定性很大 我們需要更多的這樣的事件 才能得到一個更精確的值 但這可能需要幾年的時間 在這個問題得到解決之前 宇宙學家將繼續探索各種可能的解釋 無論是新的物理學 還是舊的誤差 這可能是一個漫長而艱難的過程 但也是一個激動人心的機會 去重新審視我們對宇宙的理解