宇宙在以多快的速度膨胀

宇宙正在膨胀，那膨胀的速度有多快？对于这个问题，天文学家已经获得了迄今最精确的测量结果。问题是，在此之前，根据其他观测数据以及我们目前对宇宙物理过程的了解，天文学家曾经预言了宇宙当前的膨胀速度，而此次获得的观测数据与此前的预言并不相符。

哈勃空间望远镜拍摄的星系UGC 9391，是这项新研究中采用的星系之一。这个星系包含两类“量天尺”——造父变星（红圈所示）和Ia型超新星（蓝色光标所示）——天文学家利用它们计算出了更精确的哈勃常数。图片来源：NASA/ESA/A. Riess [STScI/JHU]

确切说来，宇宙现在的膨胀速度要比预言快了9%。天文学家称，这一差异意味着，要么对于宇宙微波背景辐射的观测是错的，要么就是有某种未知的物理现象正在加速空间的膨胀。

美国加利福尼亚大学伯克利分校的天文学教授、宣布这一发现的论文合作者之一阿列克谢·菲利潘科（Alex Filippenko）说，“如果你真的相信我们的数值，相信我们费尽心血做出了正确的测量，并准确理解了结果的不确定度，那就只能得出一个结论——基于宇宙微波背景辐射（即大爆炸余辉）的测量所作出的预言出问题了。”

他补充说，“或许宇宙在戏弄我们，或许我们对于宇宙的了解还不完整。”

原因有可能是存在另一种未知粒子，或许就是常被假设的中微子第4味，也有可能是暗能量（导致宇宙加速膨胀的不明因素）在138亿年宇宙演化的历史过程中影响力变得越来越大。还有可能是爱因斯坦的广义相对论，即宇宙学标准模型的基础，存在一点点偏差。

这项研究的领导者、美国约翰斯·霍普金斯大学及空间望远镜科学研究所的亚当·里斯（Adam Riess）说，“这一惊人发现或许是一条重要的线索，将帮助我们理解宇宙中所占比例高达95%却又不会发光的那些神秘成分，比如暗能量、暗物质和暗辐射（dark radiation）。”里斯曾在加利福尼亚大学伯克利分校任博士后研究员，与菲利潘科共事过一段时间。由于观测Ia型超新星而发现宇宙正在加速膨胀，里斯在2011年获得了诺贝尔物理学奖。

大爆炸余辉

几年前，欧洲空间局的普朗克天文台（Planck observatory）测量了宇宙微波背景辐射里的细微波动，这种背景辐射记载了早期宇宙的历史。普朗克所作的测量结果，再结合当前的宇宙物理学标准模型，曾预言今天宇宙的膨胀速度应该为66.53±0.62千米/秒/百万秒差距（km/s/Mpc）。百万秒差距是一个距离单位，大约相当于326万光年。

在此之前，对星系所作的直接观测将宇宙当前的膨胀速率，也就是所谓的“哈勃常数”（Hubble constant），限定在了70到75 km/s/Mpc之间，允许有大约5%－10%的误差——这个结果倒并不一定与普朗克的预言相违背。然而，菲利潘科说，最新的直接测量得出的膨胀速率为73.24±1.74 km/s/Mpc，不确定度仅有2.4%，显然与普朗克的预言无法相容。

这个研究团队开发了创新技术，改善了对遥远星系距离的测量精度，从而提高了对宇宙当前膨胀速率的测量精度。研究团队中有几名成员都参与过当年的高红移超新星搜寻团队，正是该团队在1998年共同发现了宇宙的加速膨胀。

研究团队找到了一些星系，既含有造父变星（Cepheid），又包含Ia型超新星。造父变星是一类脉动变星，光变速率与它们自身的真实亮度相关。知道一颗恒星的真实亮度，再跟地球上它看起来的视亮度作个比较，就能够准确测定它的距离，继而了解它所在星系的距离。因此，造父变星又被称为“量天尺”。Ia型超新星则是另一类常用的宇宙量天尺，这类爆炸的恒星在闪耀时本身都拥有相同的亮度，而且非常明亮，足以在更加遥远得多的距离上被我们看见。

这些研究者测量了19个邻近星系中的大约2400颗造父变星，并同时比较了两类量天尺的视亮度，从而精确测定了Ia型超新星的真实亮度。然后，利用这一校准后的结果，他们又计算了遥远星系中大约300颗Ia型超新星的距离。

“为了测定哈勃常数，我们既需要用造父变星来测定包含Ia型超新星的邻近星系的距离，也需要用300颗更遥远的Ia型超新星来测定它们所属的那些遥远星系的距离。”菲利潘科说，“这篇论文专注于那19个邻近星系，确实非常非常好地测定了它们的距离，结果的不确定度很小，对那些不确定度也有了透彻的了解。”

天文学家利用哈勃空间望远镜测量了造父变星的距离，从而校准了它们的真实亮度，使得它们能够被用作宇宙量天尺，去测量遥远得多的其他星系的距离。这种测距方法要比传统的视差法更加精确。图片来源：NASA/ESA/A. Feild [STScI]/A. Riess [STScI/JHU]