为什么要弄清宇宙的膨胀速度?

想象一下,宇航员乘坐宇宙飞船飞往月球。此时,速度表显示飞船的速度为74千米/秒。但是,地面指挥中心里的科学家,通过用精密仪器探测到的距离除以飞船抵达月球的时间,得出的飞船速度为67.4千米/秒。

速度表和地面仪器都没问题,那么,飞船的飞行速度为什么会有两个?测量宇宙膨胀速度的天文学家遇到的就是类似的问题,他们测得的宇宙膨胀速度有两个。

两个大圣?

宇宙膨胀的速度被称为哈勃常数。天文学家测得的第一个哈勃常数为74km/s/Mpc【意思就是说,如果某个天体位于1百万秒差距(Mpc)的距离,它离开我们的速度就达到74km/s(千米/秒),如果距离远一倍,速度也会加倍,从而得知我们的宇宙在膨胀】。

超新星是恒星演化末期产生剧烈爆炸的一种星体,而天文学家如今已经测得大多数超新星的亮度。利用“标准烛光”法,天文学家就可以测得超新星到地球的距离。这种测量方法基于这样一个简单的事实:我们所观察到的蜡烛的亮度,与我们跟蜡烛的距离相关。超新星就相当于蜡烛,离我们越远,它就越暗。

由于已知宇宙会膨胀,那么恒星与恒星之间会相互远离,接下来,天文学家需要再测量出超新星远离地球的速度。当一颗超新星远离地球时,光的波长就会变长(光的速度依然不变),向红光转移,而这种现象被称为红移。通过测量红移,天文学家再计算出超新星的远离速度,之后再除以超新星到地球的距离,就得出哈勃常数。

利用多个超新星,或者其他星体计算得出的哈勃常数也就在74km/s/Mpc上下浮动。但是,天文学家利用高度精确的普朗克太空望远镜,通过测量宇宙的背景辐射,得出的哈勃常数却是67.4km/s/Mpc。

宇宙背景辐射是指宇宙大爆炸38万年后所遗留下来的辐射。在宇宙大爆炸伊始,那时的宇宙是由物质和辐射组成的“大锅炖”。大爆炸之后,宇宙不断地膨胀、冷却,当时间过了38万年,宇宙不再冷却,反而保持一定的温度,而辐射的痕迹仿佛被“冷冻”在了那个时候,遗留到了今天。

然而,现在的宇宙背景辐射与过去的背景辐射影像并不重合,现在的宇宙背景辐射图像更广。天文学家不仅据此终于确认了宇宙正在膨胀,而且还可以通过将现今宇宙背景辐射扩大的规模除以时间,再经过其他计算,精确地计算出宇宙膨胀的速度。

天文学家认真审视了得出这两种结果的过程。他们发现这两个宇宙膨胀速度,从计算和观测过程上来看,都是正确的。但是,真正的“大圣”只有一个。那么哪个速度才是正确的?

又是暗物质

天文学家推测由于暗物质的存在,这才导致了不同的测量方法,得出了不同的结果。如果把暗物质的影响考虑在内,那么哈勃常数就会小一些;如果把暗物质剔除在外,那么得出的哈勃常数就会大一些。

为了方便理解,我们可以把暗物质比作日常生活中的公路路况。如果路上堵车越来越严重(对应着暗物质越来越多),那么我们的速度就会慢得多,到学校或工作单位所需的时间就越长;如果我们可以穿透其他车辆(暗物质就是被假设成可以被电磁波直接穿过),直达目的地,那么我们的车速肯定就会快一些。

只是,关于暗物质的存在,目前依然没有更好的证据。于是,天文学家也在极力寻找暗物质粒子。中微子是暗物质的候选粒子之一,于1956年7月20日被正式发现。中微子呈电中性,不参与任何电磁作用和强相互作用,不参与引力作用和弱相互作用,除此之外,科学家依然对它知之甚少。为了加深对中微子的了解,日本将建设超级中微子探测器。这台探测器包括了一个装满着2.6亿升超纯水的水箱,以及4万个极其灵敏的光探测器,这些探测器可以捕捉中微子与水分子发生碰撞的迹象。

除了继续寻找暗物质存在的证据,秉着严谨的科学态度,天文学家依旧有理由认为,利用超新星得出的哈勃常数之所以较大,原因还可能是观测超新星所用的望远镜不够精确。所以,一台更大、更精确的望远镜――鲁宾望远镜将于2023年,在智利落成,它可以探测更多、更远的超新星。

另外,欧洲欧几里得太空望远镜将于2022年发射。届时,它将为天文学家提供更为准确的红移和引力透镜的探测,从而验证各自的理论。或许到了那时,天文学家才能确定宇宙真正的膨胀速度。

宇宙是平的,还是圆的,又或者是弯曲的?

天文学家为什么要如此费力地弄清宇宙的膨胀速度?

如果宇宙膨胀速度是74km/s/Mpc,根据俄国数学家亚历山大・弗里德曼在1922年发现的弗里德曼方程(现代宇宙学就是基于弗里德曼方程发展而来),宇宙中物质和能量的平均密度等于临界密度,那么就说明宇宙是平坦的。宇宙依然是三维的,在这种情况下,如果我们向宇宙中发射两条平行光束,那么这两条光束将永远地保持平行。在平坦的宇宙中,虫洞就不太可能存在,同一物理规律也将在宇宙各处适用。

如果宇宙膨胀速度是67.4km/s/Mpc,宇宙中物质和能量的平均密度就高于临界密度,而这样的宇宙则是一个封闭的球形。在这个宇宙中,如果我们朝太空发射两条平行光束,那么这两条光束最终会相交在一起。在这个封闭的宇宙,虫洞就有存在的可能。在这个宇宙的某些地方,物理规律会跟地球上的不一样。

上述第二个宇宙膨胀速度还导致了一个意外的问题。天文学家反过来,先假设宇宙是封闭的球形,然后再求得哈勃常数。最终得出,哈勃常数理应比67.4km/s/Mpc还要小!这又是另外一个谜团了。

弗里德曼方程还预测了第三种宇宙形状,那就是宇宙是开放、弯曲的,类似于一张拱起来的纸张。当宇宙物质和能量的平均密度小于临界密度的时候,宇宙就是弯曲的。如果我们朝太空发射两条平行光束,那么这两条光束会越来越彼此远离。在这种宇宙中,虫洞也更有存在的可能性,而且在这个宇宙的某些地方,物理规律也会跟地球上的不一样。

尽管天文学家目前只观测到了两种宇宙形状相关的哈勃常数,但不代表第三种宇宙形状相关的哈勃常数不存在。天文学家还需要继续努力,弄清真实的哈勃常数是哪个,因为,不同的哈勃常数决定了我们宇宙的不同命运。

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