"泡泡宇宙"假說錯了 哈勃算出更精確宇宙膨脹率

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資料來源 科技日報 　常麗君

刊登日期 2011/3/18 　點擊次數 : 783

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據美國物理學家組織網3月14日報道，利用哈勃太空望遠鏡，美國國家航空航太局(NASA)以迄今最精確參數重新計算了宇宙擴張率之後，排除了一種可能代替暗能量的泡泡宇宙假說。研究結果將發表在4月1日出版的《天體物理學雜誌》上。

宇宙正顯出以越來越大的速率在膨脹。一種暗能量理論認為，這是因為宇宙中充滿了暗能量，通過與萬有引力相反的方向對星系推動造成的；而另一種替代暗能量的泡泡宇宙假說認為，這種景象可能是個幻覺，如果我們生活在一種跨越80億光年且包含著鄰近星系的巨大泡泡中，且處於離泡泡中心較近位置，就會看到星系之間的距離在加速拉開。

泡泡爆裂

而現在，天文學家改進了對宇宙當前膨脹速度的測量，能夠證明泡泡宇宙假說是錯誤的。該研究由太空望遠鏡科學研究院(STScl)的亞當·裏斯和馬利蘭州約翰·霍普金斯大學共同領導，超新星Ho物態方程小組(SHOES)進行的這次測量，提高了哈勃常數的精確度，使其在觀察暗能量變化時更為精確。研究小組將當前宇宙的膨脹率數值的不確定性降低到了3.3%，與上次在2009年時的測量相比，誤差減少了30%。

哈勃常數是河外星系推行速度同距離的比值，可以表示宇宙膨脹率。他們算出的新值為73.8公里/秒·百萬秒差距，這意味著一個星系距離地球每增加百萬秒差距(3.26百萬光年)，它離我們而去的速度每秒就增加73.8公里。

暗能量是現代物理學關於宇宙的最神秘問題之一。對此，愛因斯坦曾構想出一種推動力，稱為宇宙常數，以抵消萬有引力的作用而保持宇宙穩定。到1929年天文學家愛德溫·哈勃發現了宇宙在膨脹後，他也放棄了這種觀點。此後直到1998年，兩個研究小組發現了暗能量的觀察證據，裏斯領導的研究小組就是其中之一。

由於暗能量的令人費解，許多科學家開始構想其他的解釋，其中就包括宇宙泡泡理論。該理論認為，低密度的泡泡會比圍繞它的品質更大的宇宙泡泡擴張得更快。對於泡泡內部的觀察者來說，就會顯出好像是有一種暗能量的力量正在將整個宇宙推開。泡泡假說要求宇宙的擴張率比天文學家所計算的更慢，大約60公里/秒·秒差距到65公里/秒·秒差距。根據裏斯小組報告，他們把哈勃常數值的不確定性降低到3.3%後，已經排除了所有關於更低數字的質疑。

合作研究人員德州農工大學盧卡斯·馬克利解釋說：“泡泡理論的最大挑戰是，它要求我們必鬚生活在離泡泡中心很近的地方。自從我們知道有某種神秘的東西在給宇宙加速以來，雖然只發生了約百萬分之一的變化，但卻向我們指出更準確的方向。”

追蹤暗能量

裏斯對暗能量一直追蹤研究了13年。他發現的遙遠Ia型超新星比預期的更加昏暗，這意味著它們比預期的更加遙遠，從而發現了暗能量的存在。他認為，造成這一現象的唯一原因是，宇宙的擴張在過去某個時候被加速了。

在此發現之前，天文學家們普遍認為，由於星系間萬有引力的吸引作用，宇宙擴張正在逐漸慢下來。但這一結果暗示著，有某種神秘的力量正在反作用於萬有引力，以越來越快的速度猛推著星系互相遠離。

裏斯認為，縮小暗能量範圍的最佳方式是測出更精確的哈勃常數值。用儀器測量宇宙膨脹率可不像用卷尺測量自家的門廳，在兩端放下尺子就行了。研究小組首先必須確定恒星之間或近或遠的準確距離，再用星系退行(由於空間擴張所表現出的後退)速度和這些距離相比，然後用這兩個值算出哈勃常數。

由於無法實際測量星系距離，必須找到一種“宇宙的尺度”作為相對參照物，通過比較它們的真實亮度和從地球上看來的相對亮度而推斷出它們的距離。在可靠的宇宙尺規中，裏斯小組同時選擇了造父變星和一種稱為Ia型超新星的爆發恒星，它們爆發的亮度都非常相似，足以照亮遙遠的宇宙。通過將Ia型超新星顯出的亮度和脈衝星造父變星相比較，天文學家能準確地測出它們的內部亮度，由此計算出Ia型超新星與宇宙中各個星系的距離。

在過去80年裏，眾多天文學家一直在測量哈勃常數，裏斯也是其中的一位。哈勃望遠鏡在幫助天文學家精確測量宇宙及其膨脹方面發揮著重要作用。它在1990年發射以前，常數的估計值也曾經歷過一些變化，1999年再次將誤差減小到約10%。研究小組認為，在哈勃測量乏力之前，繼續使用這種方法還能把不確定性再減少一半，使暗能量的性質更加凸顯，有助於天文學家對宇宙性質的估計更準確，更多了解宇宙形狀、早期宇宙中的中微子或其他幽靈粒子等。此後就需要能力更強的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡來發揮能力了。