近年來,天文學家在測量、驗證宇宙的膨脹速度——也就是哈勃常數(H0)的過程中遇到了一個解決不了的難題——得不到一致的結果。無論人們用什麼方法,用多高的精度反覆地測量,得到的哈勃常數總是不一樣。
錢德拉南天深空(天爐座)。ESO / Mario Nonino, Piero Rosati and the ESO GOODS Team
最近日內瓦大學物理學家Lucas Lombriser等人撰文認為,對這個奇怪現象的最簡單解釋是,我們銀河系所在的空間是宇宙中的一個低密度氣泡。我們通過望遠鏡看到的大部分空間都是這個氣泡的一部分。而正是這個異常因素,干擾了我們對宇宙膨脹速度的測量。
玉夫座深空。ESO
要站在宇宙的尺度上想象這個氣泡的樣子是一件困難的事。大部分宇宙空間是空曠的,只有少量的星系點綴其中。但是就像我們銀河系附近的物質既存在緊密相依,也有相隔遙遠的情況一樣,宇宙各部分的星系密度也是各不相同的。
早期宇宙遺留下來的微波背景輻射溫度在宇宙的各個方向上是基本相同的(2.7K)。但是在細節上我們會發現,區域性會有微小的起伏。宇宙演化模型表明,這些微小的起伏最終會造成空間密度的差異,且密度低的區域足以扭曲我們對哈勃常數的測量結果。
目前科學家測量哈勃常數常用的方法有兩個。其一是根據宇宙微波背景輻射直接測出;其二是通過測量宇宙各部分的超新星和造父變星距離來計算。
超新星和造父變星擁有一些特點,能夠讓我們精確地算出它們和地球的距離,以及它們正在以多快的速度遠離我們。天文學家稱這些特殊的星為“量天尺”,它們是我們可觀測宇宙中的距離座標,通過這些座標,我們能夠知道宇宙正在以多快的速度膨脹。
但是奇怪的是,隨著超新星和造父變星測量法,以及宇宙微波背景輻射測量法精度的不斷提高,這些結果之間的不一致也越來越明顯。
假如我們一直得到不同的答案,那麼這背後一定存在著某種我們還不理解的客觀原因。這種未知原因不僅僅與我們宇宙當前的膨脹速度有關,也與宇宙的演化,宇宙膨脹的演化,以及時空聯合體在此過程中的演化有關。
有的物理學家相信在物理學規律中還存在一些我們所不知道的東西。但是如果要證明這一點,就需要有明確的證據來支撐新的複雜模型。更多的人則認為,問題出在對超新星或造父變星距離的計算過程,或對宇宙微波背景輻射的觀測上。
與種種有趣的解釋相比,Lombriser的理論既符合現有物理學,又極具解釋力。只是略顯乏味。人們總是渴望故事性,但或許真相併沒有那麼離奇。
鯨魚座深空。ESO
參考:Consistency of the local Hubble constant with the cosmic microwave background, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269320301076