原创 天文在线 天文在线 2022-06-19 22:53 发表于云南
膨胀的宇宙，究竟以何种速度变大，仍待探索
要么是宇宙举止滑稽，要么是我们用错误的方式观测了宇宙——我们的宇宙出问题了。也有可能是我们观测宇宙的方式错了。换句话说，事情有些不对劲。
简而言之，宇宙一直在膨胀。我们也有众多的方法来监测宇宙扩张。好消息是所有方法测得的膨胀系数是大体一致的，但坏消息是这些数值互不相等。一组方式测得同一个数值，换另一组方法则得到另一个数值。
这种差异出现已有一段时间了，并且一直没有消失。事实上，状况正变得更糟。天文学家喜欢这样描述：各种方式剑拔弩张，气氛紧张极了。两种测量路径之间最大的差异在于，一种着眼于宇宙中较近的物体间的关系，另一种则侧重较远物体间的关系。要么是我们算错了什么，要么是远距离和近距离宇宙性质不同。
据最近新发表的一篇论文，作者使用了一种巧妙的方法来测量附近星系的膨胀。论文的发现和其他注重“邻近物体”方法的结果不谋而合。这可能对于进一步认识宇宙有帮助也可能没有。
好的，现在让我们回顾一下，早在100年前，人们就知道宇宙在膨胀，观测到星系在向远离我们的方向移动，并且离得越远的星系移动速度越快。据我们所知，星系到地球间的距离于其远离地球的速度有紧密的联系。比如说，一个1百万秒差距*（缩写是Mpc）外的星系以每秒70公里的速度离开地球，那么2百万秒差距外的星系就是以两倍的速度（140千米/秒）远离。
这个函数关系似乎适用于超长距离的物理测量，所以我们以埃德温·哈勃的名字命名为哈勃常数，或H0（读作“H naught”），因为哈勃是最早提出这个关系的人之一。它是以千米每秒每百万秒差距（或每固定距离的速度—越远移动速度越快）这样一个奇怪单位来测量。
测量近距离物体如邻近星系的恒星或爆发星时，相关的方法会使H0为每秒73千米/百万秒差距。但是用更遥远的如宇宙微波背景和重子声学振荡，测得的H0数字更小，是每秒68千米/百万秒差距。鉴于这两种方式内部逻辑都是一样，而这两个数字很接近，但不一样，问题就出现了：这是怎么一回事？
新发表的论文使用了一种称为表面亮度波动的冷却方法。名字花哨实际上却直观地说明了方法。想象一下，你正站在森林的边缘，面前正对一棵树。视野里只看到了这一颗树，因为你离得非常近。只要往后退几步，就能看到更多的树，再退后几步，入眼即是森林。
观察星系也一样，用望远镜观测邻近的星系，在给定的分辨率下，你可能看到10颗恒星，全部都模糊成单个的像素，在另一分辨率下可能看到15颗恒星（较之前亮50％），另外一种可能只有5颗恒星（亮度只有第一个的一半）。
现在我们从两倍的距离去观察一个一模一样的星系，一种分辨率下可以看到20颗恒星，在其他的分辨率下可以观测到27颗或13颗（相差约35％）。10倍距离外可以看到120、105、和90（相差约10％）--请注意，为了简化模型举例，这里的数字仅作示例。关键是，星系越远，亮度分布越平滑（像素相互之间的差异与每个像素的总和相比变小）。不仅如此，像素也可以更加平滑地被测量和分配数字。
▼椭圆星系IC 2006，距离地球约6500万光年。图片来源：欧空局/哈勃和美国宇航局 致谢：朱迪·施密和J。布雷克斯利（自治领天体物理天文台）。请注意，该图像与科学放大版本无关 。
▲椭圆星系IC 2006，距离地球约6500万光年。图片来源：欧空局/哈勃和美国宇航局 致谢：朱迪·施密和J。布雷克斯利（自治领天体物理天文台）。科学认证：M。卡罗洛（苏黎世联邦理工学院，瑞士）
实际上的观测比距离更加复杂，如果一个星系忙于在一个区域生成恒星，那么观测出的恒星数量就会增加。所以最好来观测椭圆星系，它们已经有十亿年没有产生新的恒星了。被观测的星系需要离我们足够近，这样才能获得足够的数据。因此这限制了观测距我们三亿光年外甚至更近的星系，此外还要考虑尘埃，图像中的背景星系，恒星团以及更多的恒星如何朝向星系中心等等。
但以上这些影响都是已知的，并且相当容易纠正。当完成所有这些工作时，他们测得H0为73.3千米每秒每百万秒差距（误差为±2千米每秒每百万秒差距），与同路径近距离测量的其他方法一致，并且与使用远距离方法的其他组非常不同。
在某种程度上，上述数据不同是意料之中的。但这再次证实了我们在测量时错过了一些重要的东西。所有方法都有其问题，但它们的不确定性相当小。要么真的是我们低估了这些不确定性（这极不可能，虽然不确定性总是会有），要么宇宙并不是按照我们预料的方式在运行。如果硬要我给个说法的话，我想后一个猜测更有可能。
为什么？因为难以捉摸的宇宙就曾证明我们错了。自1990年代以来，我们知道扩张已经偏离了常态。天文学家发现，非常遥远的爆炸恒星总是比简单的测量显示得更远。因此他们认为宇宙现在膨胀得比以前更快，而这又可推导出暗物质的存在------一种加速宇宙膨胀的神秘实体。
▲阿塔卡马宇宙望远镜对早期宇宙进行大规模调查的一部分，此结果显示了大爆炸留下的辐射的微小温度波动，这些变化最终形成了星系，恒星和你。图源：阿塔卡马宇宙望远镜合作项目。
观察非常遥远的物体，我们能看到的只是它们的过去，彼时宇宙还很年轻。如果宇宙的膨胀率在当时（比如120亿-138亿年前）与现在（不到10亿年前）不同，我们可以得到H0的两个不同的值。或者，宇宙的不同部分正在以不同的速度膨胀。
如果扩张速度发生了变化，那将产生深远的影响。这意味着宇宙的年龄不再是我们过一味的那样（我们使用膨胀率来回溯年龄），这意味着宇宙的大小不同了，这意味着事情发生所需的时间是不同的。这意味着在早期宇宙中发生的物理过程其实发生在不同的时间，也许还包括其他影响膨胀率的物理过程。
是的，所有都是一团糟。要么是我们不太懂宇宙的运行规律，要么是我们测量错了。无论哪种方式，都只会带来痛苦，更难过的是我们也不知道到底错在哪里。这篇新论文证明了两种测量方式的差异确实存在，宇宙才是这些差异的罪魁祸首。但现在不是一锤定音的时候。我们需要继续探索研究，不断降低不确定性，不断尝试新的方法，希望在某个时刻我们有足够的数据来指出一些东西并说，“啊哈！“
当这种情况发生时，那将会是有趣的一天，我们对宇宙的理解会迈出一大步，然后宇宙学家会在新的领域继续探索讨论。必定会有新的分歧供他们争论，这个宇宙很宏大，有很多值得研究的地方。
*秒差距是长度单位，等于3.26光年（或1/12凯塞尔）。确实，这是一个很奇怪的单位，但它有巨大的历史意义，并且和很多测量距离的方式紧密联系。天文学家观测星系的时候喜欢用百万秒差距这个距离单位，其中1百万秒差距是326万光年，比我们和仙女座星系的距离还要长点。
我们都知道宇宙一直在膨胀。科学家有很多不同的方法来衡量这种膨胀。好消息是这些方法得到的数量大致相同。坏消息是他们没有得到完全相同的数字。一组方法获得一个数字，另一组方法获得另一个数字。这种差异已经存在一段时间了，而且没有好转。
BY: Phil Plait
FY: 书灯下的树
如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除
转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处
选文：天文志愿文章组-长庚先生
翻译：天文志愿文章组-书灯下的树
审核：天文志愿文章组-
终审：天文志愿文章组-零度星系
排版：天文志愿文章组-杨宜修
美观：天文志愿文章组-
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://www.syfy.com/syfywire/the-universe-is-acting-funny-or-were-looking-at-it-wrong
本文由天文志愿文章组-书灯下的树翻译自文章作者Phil Plait的作品,如有相关内容侵权,请在作品发布后联系作者删除.
注意：所有信息数据庞大,难免出现错误,还请各位读者海涵以及欢迎斧正.
结束,感谢您的阅读与关注
全文排版：天文在线(零度星系)
转载请取得授权,并注意保持完整性和注明出处
浩瀚宇宙无限宽广 穹苍之美尽收眼底
联系客服
