加速膨脹宇宙模型。圖片來自網絡
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本報記者劉霞
自上世紀20年代以來，美國天文學家哈德溫·哈勃的觀測讓科學家知道，宇宙在不斷膨脹。那麼，宇宙的膨脹速度有多快——也即所謂的哈勃常數有多大呢？
哈勃常數是宇宙參數，在各種各樣的宇宙學計算中都扮演非常重要的角色，它决定了宇宙的絕對規模、大小和年齡，是我們量化宇宙演化最直接的工具之一。此外，它也與暗物質、暗能量的内容有關，而後兩者，是我們現時仍未揭示的宇宙幾大謎團中的兩個。
100多年來，科學家分別借助對Ia型超新星和宇宙微波背景（CMB）的觀測，測出了兩個哈勃常數的值，但這兩個值並不一樣，這讓科學家們很迷惑。現在，通過對紅巨星的研究，科學家又得出了一個新的哈勃常數值，新值介於上述兩者之間，令整個事件更加撲朔迷離。
兩個哈勃常數不一致
20世紀20年代，哈勃（哈勃太空望遠鏡就是以他的名字命名）等人發現，宇宙正在膨脹——因為大多數星系離銀河系越來越遠，且距離銀河系越遠的星系，後退的速度也越快。星系遠離銀河系的速度和星系與銀河系的距離之間的比率大致恒定，這一比率被稱為哈勃常數。
經過研究計算，哈勃發現，一個星系與地球的距離每新增百萬秒差距（Mpc，約326萬光年），該星系遠離地球的速度就新增500公里/秒，所以那時，哈勃測出的哈勃常數值為500公里/秒/百萬秒差距（km/s/Mpc）。
幾十年來，隨著量測科技的不斷改進，天文學家大幅下調了哈勃常數的估算值。20世紀90年代，弗裡德曼率先使用哈勃太空望遠鏡來量測哈勃常數，計算出的值約為72公km/s/Mpc，誤差範圍不到10%。此後，由約翰霍普金斯大學諾貝爾獎獲得者亞當·裏斯領導的團隊測得了迄今最精確的值——74km/s/Mpc，誤差率僅為1.91%。
量測哈勃常數的難點在於可靠地量測星系的距離。在上述測量方法中，研究人員主要是借助對造父變星和Ia型超新星的運動進行測算，得出了星系的距離，從而計算出了哈勃常數的數值。
造父變星是一類特殊的恒星，其亮度變化週期與自身光度直接相關，因而可用於量測星系等的距離。而I a型超新星則是一類爆發的恒星，其亮度基本恒定，所以二者在天文學上均被當作“標準燭光”，用於計算遙遠星系的距離。在裡斯的研究中，他們對約2400顆造父變星和約300顆Ia型超新星的運動進行了測算。
除了上述方法，參與歐洲航天局普朗克任務的科學家也借助對宇宙微波背景的觀測，計算出了新的哈勃常數值：67.8km/s/Mpc。
裡斯測得的74km/s/Mpc比由普朗克衛星測得的67.8km/s/Mpc高出9%。哈勃常數的倒數與宇宙的年齡直接相關——哈勃常數數值越大，宇宙的年齡就越小。如果我們接受哈勃常數為裡斯所測得的值，其比之前測得的要高出9%，那麼由它推測出的將是一個年輕約10億年的宇宙。
或與暗能量有關
據英國《科學新聞》雜誌網站7月17日報導，對此差异，裡斯提出了一些可能的解釋。一種可能是，促使宇宙加速膨脹的暗能量可能會以更大的力或者越來越大的力把星系推離，這意味著宇宙膨脹的加速度本身在宇宙中沒有恒定值，而是隨著時間變化。裡斯憑1998年發現宇宙加速膨脹與他人共亯諾貝爾獎。
另一種可能性是，宇宙中存在一種新的亞原子粒子，其速度接近光速。這種快速粒子被統稱為“暗輻射”，包括一種名為“惰性中微子”的粒子。與受亞原子力相互作用影響的正常中微子不同，這種新粒子只受重力影響。
還有一種更有吸引力的解釋認為，暗物質與普通物質的作用比現在我們認為的更强烈。其中任何一種情况都會改變現有的宇宙學標準模型。該模型描述了一個包含宇宙學常數∧和暗能量、冷暗物質（CDM）的宇宙，是現時最簡單的模型，可以很好地解釋微波背景輻射的存在及其結構、大尺度結構中星系的分佈、元素豐度、宇宙加速膨脹等觀測結果。
現時，科學家正在尋找解決辦法，希望對宇宙學標準模型進行修改，使其能解釋哈勃常數兩個值不相容的問題。
紅巨星被選作新的“標準燭光”
問題還未解决時，科學家的另一條量測路徑，讓整個事件更加撲朔迷離。
芝加哥大學天文學家溫迪·弗裏德曼領導的團隊更新了哈勃測量方法中的一個關鍵要素——使用紅巨星而非造父變星作為宇宙“標準燭光”，得到了69.8km/s/Mpc的值。
科學家一直試圖找到比造父變星更好的“標準燭光”，因為造父變星往往存在於擁擠且充滿灰塵的區域，這可能會使對其亮度的估計發生扭曲。為此，弗裡德曼和同事避開了造父變星，使用紅巨星作為量測更遙遠星系的“標準燭光”。
紅巨星比造父變星更常見，在星系周邊區域很容易發現，在這些區域，恒星彼此隔離，灰塵不是問題。紅巨星的亮度變化很大，但作為一個整體，一個星系內的紅巨星群擁有一個獨特而明顯的特徵：這些恒星的亮度會在數百萬年間新增，直到達到最大值，然後突然下降。當天文學家根據顏色和亮度繪製一大群恒星時，紅巨星看起來像一團擁有明顯邊緣的圓點，身處邊緣的恒星可以作為“標準燭光”。
弗裡德曼團隊使用該科技計算了18個星系到地球的距離，並獲得了最新的哈勃常數估計值。
芝加哥大學的宇宙學家洛基·科爾布說，隨著有關紅巨星的數據不斷積累，科技的精確度將提高，紅巨星可能在不久的將來擊敗造父變星，成為廣受歡迎的“標準燭光”。
儘管如此，裡斯說，這項紅巨星研究仍然跟星系中的塵埃數量，尤其是大麥哲倫星雲中的塵埃數量有關。他說：“塵埃很難估計，這可能也是造成這兩個哈勃常數值偏低的原因。”
弗裡德曼在接受《自然》雜誌採訪時說：“現在，我們正試圖解釋這一切。如果宇宙膨脹速度之間的差异沒有解决，那麼，可能意味著天文學家用來解釋其數據的一些基本理論——如關於暗物質性質的假設可能是錯誤的。”（科技日報北京7月22日電）