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简约的哈勃常数，偏差甚小，为何能引发宇宙学危机？

发布者：金华大帅 2023-2-28 08:18

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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