先简单说一下宇宙膨胀的问题。宇宙膨胀是由两个力量主宰:暗物质(Dark matter)和暗能量(Dark energy),有如一阴一阳,一个主收缩,一个主扩张。暗能量是推动宇宙不断膨胀的力量,也是令天上的星星不断远离我们而去的力量。暗物质的重力却牵引着宇宙膨胀的速度。科学家认为,宇宙膨胀就有如宇宙的体积不断变大,暗物质的密度会减少,但暗能量密度则大致保持不变。
测量宇宙膨胀速度的两种方法
宇宙不断膨胀,不单会令其他星系远离我们,也是宇宙终极命运的关键。要量度宇宙扩张速度的方法有多种,其中一个是宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background radiation,简称CMB)。
宇宙微波背景辐射CMB可以理解成宇宙少年时期(大约是大爆炸后38万年,当时宇宙膨胀的速度已稳定下来 )的「迴音」,是大爆炸遗留下的证据。
为审慎起见,二人在65年初彻底清理天线上的鸟粪和鸽子窝,结果讯号强度不变,亦不受气候季节变化影响,二人终于确认,无处不在的讯号是来自宇宙,发表了《在4080兆赫上额外天线温度的测量》论文,并在1978年获颁诺贝尔物理学奖。而近年对于宇宙背景辐射被公认为最详尽的研究,要数欧洲航天局旗下的普朗克天文台( Planck observatory)。
其实,你也可以听到这古老的迴音,只要把收音机调到一个空的射频,即无线电静态,当中的一少部分就是宇宙微波背景辐射。科学家透过量度宇宙背景辐射的温度高低,推论出许多宇宙形成的理论、当中的结构,以及其持续膨胀。
另一个重要的量度方法称为哈勃常数(Hubble constant),就是利用已知的固有亮度的恆星作为量度标准(又称为标准烛光,standard candles),去测量其他星系正在以什么速度飞离我们的银河系。
什么地方出问题?
以上这两个量度方法得出的结论原本是可以和谐共存的,但当约翰·霍普金斯大学(The Johns Hopkins University)的天文物理学家Adam Riess率领的团队以更严格方式去测量时,却发现了问题。
Riess针对的是悠久以来都具争议性的哈勃常数,他的团队利用哈勃望远镜观测18个星系中的标准烛光standard candles,目的是要收窄以往计算的误差。目的是达到了,把测量常数的不确定性由原先3.3%降至2.4%,却换来令人意外的后果。
根据Riess在论文预印本网站arXiv的发表,他发现宇宙膨胀速度比普朗克数据的预测值(每秒67.3±0.7公里每百万秒差距)大约快了8%。
暗能量之谜与宇宙学说的改写
Nature.com引述Riess表示,如果两个方法都没计错,就是宇宙标准模型的假设出了问题,而这将衍生出很多可能性,包括:
- 暗能量根本不是恆定的,会随着时间和空间而改变,甚至变得愈来愈强大(在宇宙标准模型中,暗能量佔据宇宙68.3%)。
- 宇宙有一种我们未知的基本粒子存在,例如是现在已知的三种微中子(neutrino)以外,还有一种微中子,由于微中子的质量几乎是零,而且以接近光速流转,被视为是辐射。假设宇宙间的辐射比例增加,物质比例减少,则可能令宇宙加速膨胀。
- 宇宙不是平直(flat)而是微微弯曲。
- 组成暗能量的基本粒子属性不同于科学家的设想,这会影响宇宙早期的演化。
科学界对新的测量结果很感兴趣,2001年主导哈勃望远镜精确光学测量计划的芝加哥大学天文学家Wendy Freedman认为,问题可能出于标准烛光测量法,它可能不是一个可靠的量度方法,以前都修订过,也许要再修订。她率领的团队已展开以另外一类星系作为量度基准的测试。
普朗克研究员Francois Bouchet则表示,他不大相信普朗克数据会出问题,但无论如何,新发现还是令人兴奋。
宇宙膨胀的速度不是第一次改变,科学家相信,大约在75亿年前,膨胀速度曾经放慢,然后可能因为暗能量增多,膨胀速度又加快了,到底是计错数,还是此时此刻,宇宙膨胀速度已进一步加快,暂时还是个谜。(Chow Anita)