宇宙膨脹速度比原先估計快8%? 宇宙學說模型或要改寫

宇宙膨脹速度比原先估計快8%? 宇宙學說模型或要改寫
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根據最新的測量,宇宙膨脹的速度比原先估算快8%。如果確認計算無誤,將會是宇宙學說新的衝擊,其結果可能要令教科書重寫。

科學家發現,宇宙膨脹速度比原先估計快了大約8%,這個答案跟宇宙大爆炸的殘餘輻射值並不吻合,如果證實量度沒有出錯,則代表宇宙學說中有些部分錯了。

先簡單說一下宇宙膨脹的問題。宇宙膨脹是由兩個力量主宰:暗物質(Dark matter)和暗能量(Dark energy),有如一陰一陽,一個主收縮,一個主擴張。暗能量是推動宇宙不斷膨脹的力量,也是令天上的星星不斷遠離我們而去的力量。暗物質的重力卻牽引著宇宙膨脹的速度。科學家認為,宇宙膨脹就有如宇宙的體積不斷變大,暗物質的密度會減少,但暗能量密度則大致保持不變。

宇宙膨脹構想圖。Photo Credit: CMB_Timeline75.jpg: created by NASA public domain

宇宙膨脹構想圖。Photo Credit: CMB_Timeline75.jpg: created by NASA public domain

測量宇宙膨脹速度的兩種方法

宇宙不斷膨脹,不單會令其他星系遠離我們,也是宇宙終極命運的關鍵。要量度宇宙擴張速度的方法有多種,其中一個是宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background radiation,簡稱CMB)。

宇宙微波背景輻射CMB可以理解成宇宙少年時期(大約是大爆炸後38萬年,當時宇宙膨脹的速度已穩定下來 )的「迴音」,是大爆炸遺留下的證據。

科學家研究宇宙背景輻射已有多年。1934年已經有科學家提出宇宙背景輻射的溫度會隨時間演化而改變,不過,要到1964年這理論才受廣泛關注。當時兩位年輕的無線電天文學家Arno A. Penzias和Robert W. Wilson,透過改裝號角天線和微波接收器,在位於貝爾實驗室附近一個小鎮的克勞福德山錄得神秘訊號。

為審慎起見,二人在65年初徹底清理天線上的鳥糞和鴿子窩,結果訊號強度不變,亦不受氣候季節變化影響,二人終於確認,無處不在的訊號是來自宇宙,發表了《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》論文,並在1978年獲頒諾貝爾物理學獎。而近年對於宇宙背景輻射被公認為最詳盡的研究,要數歐洲航天局旗下的普朗克天文台( Planck observatory)。

其實,你也可以聽到這古老的迴音,只要把收音機調到一個空的射頻,即無線電靜態,當中的一少部分就是宇宙微波背景輻射。科學家透過量度宇宙背景輻射的溫度高低,推論出許多宇宙形成的理論、當中的結構,以及其持續膨脹。

另一個重要的量度方法稱為哈勃常數(Hubble constant),就是利用已知的固有亮度的恆星作為量度標準(又稱為標準燭光,standard candles),去測量其他星系正在以什麼速度飛離我們的銀河系。

什麼地方出問題?

以上這兩個量度方法得出的結論原本是可以和諧共存的,但當約翰·霍普金斯大學(The Johns Hopkins University)的天文物理學家Adam Riess率領的團隊以更嚴格方式去測量時,卻發現了問題。

Riess針對的是悠久以來都具爭議性的哈勃常數,他的團隊利用哈勃望遠鏡觀測18個星系中的標準燭光standard candles,目的是要收窄以往計算的誤差。目的是達到了,把測量常數的不確定性由原先3.3%降至2.4%,卻換來令人意外的後果。

根據Riess在論文預印本網站arXiv的發表,他發現宇宙膨脹速度比普朗克數據的預測值(每秒67.3±0.7公里每百萬秒差距)大約快了8%。

暗能量之謎與宇宙學說的改寫

Nature.com引述Riess表示,如果兩個方法都沒計錯,就是宇宙標準模型的假設出了問題,而這將衍生出很多可能性,包括:

  • 暗能量根本不是恆定的,會隨著時間和空間而改變,甚至變得愈來愈強大(在宇宙標準模型中,暗能量佔據宇宙68.3%)。
  • 宇宙有一種我們未知的基本粒子存在,例如是現在已知的三種微中子(neutrino)以外,還有一種微中子,由於微中子的質量幾乎是零,而且以接近光速流轉,被視為是輻射。假設宇宙間的輻射比例增加,物質比例減少,則可能令宇宙加速膨脹。
  • 宇宙不是平直(flat)而是微微彎曲。
  • 組成暗能量的基本粒子屬性不同於科學家的設想,這會影響宇宙早期的演化。

科學界對新的測量結果很感興趣,2001年主導哈勃望遠鏡精確光學測量計劃的芝加哥大學天文學家Wendy Freedman認為,問題可能出於標準燭光測量法,它可能不是一個可靠的量度方法,以前都修訂過,也許要再修訂。她率領的團隊已展開以另外一類星系作為量度基準的測試。

普朗克研究員Francois Bouchet則表示,他不大相信普朗克數據會出問題,但無論如何,新發現還是令人興奮。

宇宙膨脹的速度不是第一次改變,科學家相信,大約在75億年前,膨脹速度曾經放慢,然後可能因為暗能量增多,膨脹速度又加快了,到底是計錯數,還是此時此刻,宇宙膨脹速度已進一步加快,暫時還是個謎。