简约的哈勃常数,偏差甚小,为何能引发宇宙学危机?
哈勃常数,看似平常,实则危机四伏
自2014年起,哈勃常数的测量值——现在宇宙膨胀的速率,出现了争议。远处星体所得的测量数据比近处星体测量数据小约10%。虽然它们听起来相差不大(事实上并不是这样,巨大的科学成就总是需要最精准的测量值),但它们的不确定性应该只有2%。 从统计学上讲,在2%的不确定性中,10%的误差需要引起重视,并进行调查。从2014年起,人们提出了300多种解决这个“宇宙学危机”的方案。但没有一种方案得到了宇宙学家的普遍赞同,而且随着科学家们继续进行着测量,危机还在加大。

LCDM模型
我们对宇宙学的现代理解正在濒临险境。我们把它概括为 λ-CDM模型,缩写为LCDM模型。像其他科学模型一样,这个模型做了几个基本假设。它假设了广义相对论在宇宙学尺寸下适用,且宇宙具有各向同性,宇宙是平坦的,其中有一些地方是空的,被称作暗物质,不对普通物质有任何反应(CDM就是指冰冷的暗物质)。还有一些其他物质称作暗能量(即λ),在宇宙膨胀中维持着宇宙密度。

一旦这些假设被确立了(在大量观测事实上,它们的确被确立了), LCDM就只有六个自由参数。你需要做各种宇宙测量,去得到这些数据。而你一旦得到了这些参数,就可以预测所有关于宇宙的事,包括且不仅限于现在的宇宙膨胀速率。
固定这些参数的最好方法是宇宙微波背景辐射(CMB),它是宇宙诞生38万年时留下来的光。CMB用处很多,它很宏大,容易测量,容易理解。

当你拥有了CMB测量值之后,就可以像欧洲航天局的普朗克卫星任务一样,填补LCDM的未知部分,掌握住宇宙的整个历史。
通往星星的天梯
这就带来了紧张气氛。早期宇宙测量带给我们大量LCDM参数的信息,这些信息不仅来自CMB,还来自重子声学振荡——早期宇宙中的巨大声波在宇宙中游荡留下的星系的微小位移,以及大量光的元素。

不管你怎样结合早期宇宙测量数据去完成LCDM模型,你最终都会得到哈勃常数大约为68km/s/Mpc。
那么,问题解决了。是吗?不,没有那么快。
你还可以直接测量哈勃常数。你需要测量大量物体的距离和速度,可以选择Ia型超新星,星系性质,米拉变星和一些类型的红巨星。
除了红巨星,其他方法测得的哈勃常数为一个较高的数字——超过74km/s/Mpc。
有趣却有些沮丧的是,红巨星测得的结果恰在这两个极端数字之间——因此,我们迎来了危机。

无解决之路
我们已经有两种截然不同的方法来测量哈勃常数,每一种都经过了实验检验,研究理解。LCDM模型在预测很多宇宙观测上取得了巨大成功,没有人愿意抛弃这个模型。CMB的测量值是精确的——几乎是目前天文学历史上最精准的测量。
从另一方面来说,超新星的测量也是合理的。一些其他的探测器给出了类似的哈勃常数值。早期宇宙与后期宇宙,整体测量与当地测量,大尺度与小尺度,都形成了对比——不管你怎样区分它们,我们始终有两种应当吻合的看法出现了分歧。我们本该有一个普遍的,一致的测量结果,但我们没有。

宇宙学家对这个“危机”很感兴趣,因为自20多年前,我们发现暗能量之后,再没有出现如此有趣之事。当测量结果发生分歧,这是自然界在悄悄告诉我们,这里有一个新的空间,一个新的机会让我们揭开宇宙更多的真相。
迄今为止,已有300多种宇宙危机的解决方案。有人呼吁在CMB上进行更多的物理研究,有人认为暗能量近年研究中在作怪,有人从更基础的方面改变了物理理论,使观测结果变得更复杂。

但是,没有一个方案能解释大量宇宙学事实,我们距达成一致还有很长的路。
我个人相信“一件趣事,很可能是一件错事。”这次危机最无聊的解释是:在我们局部尺度测量哈勃常数的过程中,出现了差错。
但只有时间会告诉我们真相。
BY: Paul M. Sutter
FY: 静狸
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