美国科学家提出：我们的宇宙标准模型缺少什么吗？

发表于2022年11月25日，天文学、天体物理学、暗能量、哈勃太空望远镜、哈勃张力、科学、宇宙

2018年哈勃太空望远镜的一项发现证实了关于哈勃常数（即宇宙膨胀的速度）的一个令人担忧的差异，这表明宇宙现在的膨胀速度比从大爆炸后不久看到的轨道上预计的要快。研究人员暗示，可能会有新的物理学来解释这种被称为“哈勃张力”的不一致性。首席研究员、空间望远镜科学研究所（STScI）和约翰·霍普金斯大学的诺贝尔奖得主亚当·里斯（Adam Riess）表示：“社会正在努力理解这种差异的含义。”。

哈勃常数的一个测量值来自于测量本地宇宙中邻近星系的距离和衰退速度，就像近一个世纪前埃德温·哈勃所做的那样。这种方法需要精确校准银河系和大麦哲伦云中脉动造父变星的亮度、颜色和距离（宇宙距离阶梯上的第一级）。造父变星的脉动周期与它们的内在光度高度相关，因此造父变像是测量到更远星系距离的标准烛光（第二级）。造父变星然后被用来校准更明亮的Ia型超新星的亮度，这些超新星来自双星系统中白矮星的爆炸，并作为标准化的烛光来测量更远星系的距离（第三级）。

我们的宇宙模型中缺少了一些实质性的东西”

哈勃常数的第二次测量来自普朗克对宇宙微波背景的观测，这是138亿年前大爆炸的残余余晖。普朗克测量值与包括暗能量和暗物质在内的宇宙学标准模型相结合，预测本地宇宙中当前的哈勃常数应该低于造父变星和Ia型超新星直接测量的值。

中子星碰撞——确定宇宙大小和年龄的新方法”

2017年8月17日上午，在经历了超过一亿年的旅行之后，遥远星系发生大规模碰撞后的余震终于抵达地球。2019年，芝加哥大学天体物理学家丹尼尔·霍尔兹（Daniel Holz）意识到，当引力波触发两个超灵敏LIGO探测器的警报时，他掌握了所需的信息，可以对天体物理学中最重要的数字之一——哈勃常数进行开创性的新测量。

霍尔兹解释道：“这两种方法中的一种测量遥远星系中超新星（爆炸恒星）的亮度，另一种则观察宇宙微波背景中的微小波动，即大爆炸留下的微弱光线。”。二十年来，科学家们一直在努力提高每一次测量的准确性和精度，并排除可能影响结果的任何影响；但这两种价值观仍然顽固地相差近10%。”

这两种价值观仍然顽固地相差近10%”

“哈勃常数，”霍尔兹写道， “这是关于宇宙大小、年龄和历史等重大问题的答案，但确定其价值的两种主要方法产生了显著不同的结果。现在有了第三种方法，它可以解决天文学中最紧迫的问题之一，也可以巩固该领域许多人所持的日益增长的怀疑，即我们的宇宙模型。”

不是Bug，而是功能

霍尔兹指出：“1998年，科学家们惊奇地发现，宇宙的膨胀速度并没有随着年龄的增长而减慢，而是随着时间的推移而加速。在接下来的几十年里，当他们试图精确地确定膨胀速度时，很明显，不同的测量方法会产生不同的答案。”

“因为超新星方法观察的是相对较近的物体，而宇宙微波背景更古老，所以这两种方法都有可能是正确的，而且宇宙的某些深刻的东西从时间开始就发生了变化。”

转眼间，我们有了一种全新的、完全独立的方法来测量物理学中最深刻的量之一。”

“我们不知道其他两种方法中的一种或两种是否存在某种系统误差，或者它们是否反映了我们当前模型中缺少的关于宇宙的基本事实。”，霍尔兹说，“两者都有可能。”

霍尔兹在谈到LIGO的发现时说道：“很快，我们就有了一种全新的、完全独立的方法来测量物理学中最深刻的量之一。那一天我将终生难忘。”

霍尔兹在给《每日银河》的电子邮件中总结道：“了解哈勃常数（H0）的精确值仍然是宇宙学中最重要的挑战之一。”。“从一系列方法中对H0的测量结果似乎不一致，目前这些差异的原因仍不清楚。未来的数据应阐明这些测量结果，可能会导致H0的单一值趋于一致，或根据测量方法包含不同的值。这两种发展都将是我们研究的重要一步。”宇宙的过去。”

星际尘埃能解决哈勃望远镜的张力吗？

由斯德哥尔摩大学的Edvard Mörtsell领导的另一组天文学家假设，由于不同星系星际尘埃性质的系统性变化，先前测量的哈勃常数可能不准确。星际尘埃更容易散射蓝光，使穿过尘埃的光线变红并熄灭。例如，当太阳在接近日落的地平线上看时，太阳显得更红、更暗，因为地球大气中的尘埃和空气分子将蓝光散射到视线之外。尘埃变红和消失的程度取决于尘埃颗粒的大小和组成。

先前对哈勃常数的研究假设所有星系都含有星际尘埃，它们遵循同样的变红定律。

然而，在最近提交的一篇论文中，Mörtsell及其合作者证明，我们的银河系和我们的卫星星系大麦哲伦云（Large Magellanic Cloud）对造父变星的亮度和颜色进行了校准，以提供宇宙学距离阶梯上的第一个梯级，与用来测量宇宙膨胀的遥远星系相比，它们具有不同的星际尘埃性质。在解释了不同星系中尘埃性质的差异后，他们测量了一个与早期宇宙中普朗克结果一致的局部哈勃常数，远低于里斯团队先前测量的哈勃常数的局部值。他们的论文仍在审查中，但他们2021 5月提交的研究论文的预印本可以在这里找到，这篇论文的名字恰如其分，叫做“哈勃张力吞噬尘埃：哈勃常数测定对造父变星颜色校准的灵敏度”。其他天文学家现在正试图验证这一结果，即尘埃消光的变化可以解决哈勃望远镜的张力。

基本的宇宙学模型是问题所在

2017年，LIGO最初通过引力波发现并随后在光学和红外波长下探测到的双星中子星合并过于接近，距离1.3亿光年，无法精确测量哈勃常数。LIGO目前正在升级，不久将对中子星的更遥远碰撞敏感，这将为测量哈勃常数提供必要的杠杆，精确到百分之几。因此，LIGO将很快对本地哈勃常数进行独立测量，而不受造父变星校准和尘埃变红的影响。

最后一句话？

“我们发现星系比标准宇宙学模型预测的更近，这证实了其他类型距离测量中发现的问题。关于这个问题是模型本身还是用于测试它的测量，一直存在争议。我们的工作使用了一种完全独立于所有其他测量的距离测量技术，我们加强了测量值和预测值。国家射电天文观测站（NRAO）的詹姆斯·布拉茨（James Braatz）表示：“很可能是预测中涉及的基本宇宙学模型出了问题，

该项目是一项国际性的努力，旨在通过发现具有特定性质的星系来测量哈勃常数，这些星系有助于产生一组新的精确距离测量值，这些测量值是由国际射电望远镜组成的，这大大增加了理论家们需要修改描述哈勃常数基本性质的“标准模型”的可能性宇宙。

NRAO项目使用了国家科学基金会的超长基线阵列（VLBA）、卡尔·G·詹斯基超大阵列（VLA）和罗伯特·C·伯德·格林班克望远镜（GBT），以及德国的埃菲尔斯伯格望远镜。

Maxwell Moe，天体物理学家，NASA爱因斯坦研究员，亚利桑那大学，通过芝加哥大学，NRAO和NASA戈达德太空飞行中心的Daniel Holz。