探尋宇宙膨脹之謎：哈勃張力與早期暗能量的博弈

作者：黃湘紅 段躍初

在廣袤無(wú)垠的宇宙深處，隱藏著無(wú)數(shù)令人著迷又困惑的奧秘。宇宙的膨脹速度問(wèn)題，猶如一團(tuán)迷霧，困擾著眾多科學(xué)家，而一種奇特的暗能量形式或許是解開(kāi)這一謎題的關(guān)鍵鑰匙。

回首十五年前，宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型宛如一顆璀璨的明星高懸于科學(xué)的天空。它以簡(jiǎn)潔卻極具威力的方式，僅憑借少許關(guān)鍵成分，便能闡釋宇宙中諸多奇妙現(xiàn)象。

從星系在浩瀚太空中的分布格局，到宇宙加速膨脹的神秘進(jìn)程，再到大爆炸遺留的宇宙微波背景那微弱而神秘的輝光亮度波動(dòng)，這一模型仿佛無(wú)所不能。它就像一位智慧的長(zhǎng)者，將宇宙的故事娓娓道來(lái)。盡管其中包含著暗物質(zhì)和暗能量這些難以捉摸的奇異元素，但在當(dāng)時(shí)，宇宙學(xué)家們仿佛看到了理解宇宙本質(zhì)的曙光，內(nèi)心滿是相對(duì)的欣喜。

然而，時(shí)光流轉(zhuǎn)至近十年，平靜的宇宙學(xué)研究領(lǐng)域被打破。令人煩惱的不一致性如同洶涌的波濤，沖擊著原本看似堅(jiān)不可摧的標(biāo)準(zhǔn)模型。問(wèn)題的核心聚焦于宇宙空間的膨脹速率。當(dāng)一群勇敢的天文學(xué)家借助觀測(cè)附近宇宙中的超新星來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)這一膨脹速率的關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，所得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型給出的數(shù)值大相徑庭。

早在十多年前，哈勃張力首次嶄露頭角，但彼時(shí)，科學(xué)界對(duì)此莫衷一是。究竟這是真實(shí)存在的差異，還是僅僅源于測(cè)量誤差？這一疑問(wèn)如同一片陰云，籠罩在科學(xué)家們的心頭。但隨著歲月的積累，數(shù)據(jù)的不斷豐富，這種不一致性愈發(fā)根深蒂固。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡傳來(lái)的最新數(shù)據(jù)，更是如同一場(chǎng)暴風(fēng)雨，讓這一問(wèn)題變得愈發(fā)棘手。

讓我們把時(shí)光的指針撥回到 1929 年，那是一個(gè)具有里程碑意義的時(shí)刻。埃德溫·哈勃在加州帕薩迪納附近的威爾遜山天文臺(tái)，通過(guò)不懈的觀測(cè)與研究，驚世駭俗地證明了星系都在彼此遠(yuǎn)離。這一發(fā)現(xiàn)如同在平靜的湖面投入了一顆巨石，瞬間激起千層浪。當(dāng)時(shí)，眾多科學(xué)界的巨擘，包括阿爾伯特·愛(ài)因斯坦，都秉持著靜態(tài)宇宙的觀點(diǎn)。然而，星系相互分離這一鐵證如山的事實(shí)，無(wú)情地宣告了空間正在不斷膨脹。哈勃利用這一驚人的發(fā)現(xiàn)，首次嘗試計(jì)算哈勃常數(shù)。但如同蹣跚學(xué)步的孩童，初期的探索總是充滿坎坷。他最初的估計(jì)過(guò)高，得出的宇宙年齡甚至比太陽(yáng)系還年輕。這便是第一次“哈勃張力”的出現(xiàn)。不過(guò)，科學(xué)的腳步從未停歇。后來(lái)，德國(guó)天文學(xué)家沃爾特·巴德發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題的關(guān)鍵所在：哈勃用于估算的遙遠(yuǎn)星系與他用于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的附近星系包含不同種類的恒星。經(jīng)過(guò)修正，這一問(wèn)題得以解決。

時(shí)間的車輪滾滾向前，來(lái)到了 20 世紀(jì) 90 年代。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，猶如一把銳利的寶劍，讓觀測(cè)變得更加精準(zhǔn)。但新的問(wèn)題也隨之而來(lái)。天文臺(tái)測(cè)得的哈勃常數(shù)意味著宇宙中最古老的恒星比恒星演化理論所認(rèn)為的還要古老。這一矛盾再次讓科學(xué)界陷入沉思。直到 1998 年，宇宙加速膨脹這一震驚世界的發(fā)現(xiàn)，如同破曉的曙光，化解了這一矛盾。科學(xué)家們由此引入了暗能量這一概念，將其納入宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。自此，宇宙學(xué)的研究開(kāi)啟了新的篇章。

從那以后，我們對(duì)宇宙起源和演化的認(rèn)知猶如一幅徐徐展開(kāi)的壯麗畫卷，愈發(fā)豐富和清晰。如今，我們能夠以前所未有的精確度測(cè)量宇宙微波背景——這一宇宙歷史最重要的證據(jù)。星系分布的測(cè)繪范圍也比過(guò)去擴(kuò)大了幾百倍。用于測(cè)量宇宙膨脹歷史的超新星數(shù)量如繁星般增長(zhǎng)，達(dá)到了數(shù)千顆之多。然而，命運(yùn)似乎總喜歡捉弄人。盡管我們?cè)谟钪嫣剿鞯牡缆飞先〉昧酥T多輝煌成就，但對(duì)宇宙空間增長(zhǎng)速度的估計(jì)卻始終無(wú)法達(dá)成一致。

十多年來(lái)，基于局部宇宙的哈勃常數(shù)測(cè)量愈發(fā)精確。其主要方法是通過(guò)對(duì)特定類別 Ia 型超新星的觀測(cè)。這類超新星在爆發(fā)時(shí)具有相似的能量輸出，這意味著它們擁有相同的內(nèi)在亮度或光度。通過(guò)測(cè)量它們的視亮度（即它們?cè)谔炜罩械牧炼龋?，我們可以推算出它們與地球的距離。再結(jié)合通過(guò)測(cè)量紅移（光向電磁波譜紅端移動(dòng)的量）所獲得的速度信息，就能知曉空間膨脹的速度。

天文學(xué)家采用一種逐步校準(zhǔn)的方法——距離階梯。他們通過(guò)與附近星系的值進(jìn)行比較來(lái)校準(zhǔn) Ia 型超新星的距離測(cè)量值。這些附近星系中既有 Ia 型超新星，又有至少一顆造父變星。造父變星是一種特殊的脈動(dòng)超巨星，其耀斑的時(shí)間尺度與其光度緊密相關(guān)。早在一個(gè)世紀(jì)前，亨麗愛(ài)塔·斯萬(wàn)·勒維特就發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律?？茖W(xué)家們通過(guò)觀察非常近的星系中的造父變星來(lái)校準(zhǔn)這種周期 - 光度關(guān)系，并且可以通過(guò)視差法從幾何角度測(cè)量這些星系的距離。

25 年前，哈勃關(guān)鍵項(xiàng)目完成了這類具有里程碑意義的測(cè)量，得出哈勃常數(shù)為 H0 = 72.8 公里/秒/百萬(wàn)秒差距。大約十幾年前，在里斯領(lǐng)導(dǎo)的 SH0ES 小組和芝加哥大學(xué)溫迪·l·弗里德曼領(lǐng)導(dǎo)的卡內(nèi)基·哈勃項(xiàng)目的努力下，這一數(shù)值提高到了 74±2.5 千米/秒/百萬(wàn)秒差距。在過(guò)去幾年中，眾多研究不斷重復(fù)這些測(cè)量，并在歐洲航天局蓋亞視差天文臺(tái)的助力下，進(jìn)一步完善到 73.1。即便我們將距離階梯中的某些步驟替換為其他恒星距離的估算方法，哈勃常數(shù)的變化也微乎其微。若不進(jìn)行一些不合理的操作或丟棄哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的大量數(shù)據(jù)，哈勃常數(shù)很難低于約 70 km/s/Mpc。然而，即便這個(gè)最低值，與從宇宙微波背景（CMB）推斷的數(shù)值相比，仍然偏大，無(wú)法用運(yùn)氣不佳來(lái)解釋。

天文學(xué)家們對(duì)超新星距離測(cè)量可能存在的問(wèn)題進(jìn)行了詳盡的研究，并開(kāi)展了眾多后續(xù)測(cè)試，但始終未發(fā)現(xiàn)測(cè)量中的缺陷。直到最近，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題聚焦于如何在擁擠的視野中確定造父變星的亮度。在過(guò)去，借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，來(lái)自特定造父變星的光會(huì)與周圍其他恒星的光相互重疊，科學(xué)家們不得不借助統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來(lái)估算造父變星自身的亮度。但如今，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡以其超高的分辨率重新拍攝了一些造父變星。在 JWST 的鏡頭下，恒星清晰可辨，不再有光的重疊現(xiàn)象。令人欣喜的是，新的測(cè)量結(jié)果與哈勃的完全一致。

從 CMB 推斷哈勃常數(shù)的方法雖稍顯復(fù)雜，但原理相近。CMB 光在太空中的強(qiáng)度幾乎處處相同，但精確測(cè)量會(huì)發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度從一點(diǎn)到另一點(diǎn)存在約十萬(wàn)分之一的微小變化。這種變化模式在肉眼看來(lái)相當(dāng)隨機(jī)。然而，當(dāng)我們觀察相距約 1 度的兩個(gè)點(diǎn)（如同天空中兩個(gè)并排的滿月）時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一種奇妙的相關(guān)性：它們的強(qiáng)度（溫度）可能相似。這一現(xiàn)象的根源在于早期宇宙中聲音的傳播。

在大爆炸后的最初約 38 萬(wàn)年里，空間充滿了由自由質(zhì)子、電子和光組成的等離子體。大約在 38 萬(wàn)年時(shí)，宇宙冷卻到足以讓電子與質(zhì)子結(jié)合，首次形成中性氫原子。在此之前，電子在空間中自由穿梭，光無(wú)法長(zhǎng)距離傳播。而當(dāng)電子被束縛在原子中后，光得以自由流動(dòng)。我們?nèi)缃裼^測(cè)到的 CMB，便是那時(shí)最初的光釋放。

在最初的 38 萬(wàn)年里，充滿空間的電子 - 質(zhì)子 - 光等離子體密度的微小變化以聲波的形式傳播，如同聲音在房間里的空氣中傳播一般。這些聲波的精確來(lái)源與宇宙早期的量子波動(dòng)密切相關(guān)，它們就像是大爆炸留下的神秘噪音。宇宙聲波傳播的距離由介質(zhì)中的聲速乘以大爆炸以來(lái)的時(shí)間決定，我們將這個(gè)距離稱為聲視界。如果在大爆炸時(shí)宇宙中的某個(gè)地方存在一個(gè)特別“響亮”的點(diǎn)，那么它最終將在聲視界之外的任何一點(diǎn)被“聽(tīng)到”。當(dāng) CMB 光在 38 萬(wàn)年釋放時(shí)，它被印上了當(dāng)時(shí)聲景的強(qiáng)度。因此，CMB 強(qiáng)度的一度標(biāo)度相關(guān)對(duì)應(yīng)于當(dāng)時(shí)聲音視界的角度大小。

這個(gè)尺度由聲音視界與到“最后散射表面”的距離的比率決定。“最后散射表面”本質(zhì)上是當(dāng) CMB 釋放時(shí)（電子被束縛在原子中的時(shí)刻，光第一次可以自由傳播），光自釋放以來(lái)已經(jīng)傳播的距離。如果宇宙的膨脹率越大，那么這個(gè)距離就越小，反之亦然。

基于此，天文學(xué)家可以利用對(duì)聲音視界的測(cè)量來(lái)預(yù)測(cè)宇宙當(dāng)前的膨脹速率——哈勃常數(shù)。宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型基于早期宇宙的引力吸引成分預(yù)測(cè)了聲音視界的物理長(zhǎng)度，包括暗物質(zhì)、暗能量、中微子、光子和原子。通過(guò)將這一長(zhǎng)度與從 CMB 測(cè)得的地平線角長(zhǎng)度（一度）進(jìn)行比較，科學(xué)家能夠推斷出哈勃常數(shù)的值。然而，令人困惑的是，從 CMB 推斷出的數(shù)值比利用超新星獲得的數(shù)值要小 9%。

由于 CMB 推斷值比本地值小，一種可能的解釋是暗能量密度并非精確的常數(shù)，而是隨時(shí)間緩慢下降（如同一些模型如 quintessence 所提出的）。這樣一來(lái)，到最后一次散射表面的距離將會(huì)減少，從而使基于 CMB 的哈勃常數(shù)值下降到與局部觀測(cè)值相符。反之，如果暗能量密度隨時(shí)間慢慢增加，那么從 CMB 推斷出的哈勃常數(shù)會(huì)更大，但超新星的測(cè)量結(jié)果卻無(wú)法與之匹配。更為棘手的是，這種解釋要求能量以某種方式從無(wú)到有，這顯然違背了能量守恒這一物理學(xué)中的神圣原則。即便我們嘗試突破常規(guī)，想象不遵循能量守恒的模型，卻依然無(wú)法化解哈勃的張力。這是因?yàn)樾窍笛蔡斓慕Y(jié)果顯示，今天宇宙中星系的分布是從早期宇宙中物質(zhì)的分布演化而來(lái)的，在相互關(guān)系中呈現(xiàn)出相同的聲音視界碰撞。通過(guò)這種關(guān)聯(lián)的角度尺度推斷出與擁有超新星的同類星系的距離，得到的哈勃常數(shù)值較低，與 CMB 一致。

在眾多嘗試解釋哈勃張力的探索中，早期暗能量這一概念應(yīng)運(yùn)而生。Kamionkowski 和他當(dāng)時(shí)的研究生 Tanvi Karwal 在 2016 年率先開(kāi)啟了這一領(lǐng)域的探索之旅。早期宇宙的膨脹率取決于當(dāng)時(shí)宇宙中所有物質(zhì)的密度。在標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型中，包含光子、暗能量、暗物質(zhì)、中微子、質(zhì)子、電子和氦核等成分。但倘若存在一種新的物質(zhì)成分——早期暗能量，其密度大約是當(dāng)時(shí)所有其他物質(zhì)密度的 10%，然后逐漸衰減，那將會(huì)發(fā)生什么呢？

早期暗能量最明顯的形式是一種充滿空間的場(chǎng)，類似于電磁場(chǎng)。當(dāng)宇宙處于幼年時(shí)期，這個(gè)場(chǎng)會(huì)增加空間的負(fù)壓能量密度，產(chǎn)生與重力相反的效果，推動(dòng)空間加速膨脹。有兩種類型的場(chǎng)可以滿足這一要求。最簡(jiǎn)單的選擇是所謂的緩慢滾動(dòng)標(biāo)量場(chǎng)。這個(gè)場(chǎng)以勢(shì)能形式的能量密度起始，就如同靜止在山頂上。隨著時(shí)間的推移，場(chǎng)會(huì)向山下滾動(dòng)，其勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。由于動(dòng)能對(duì)宇宙膨脹的影響與勢(shì)能不同，隨著時(shí)間流逝，動(dòng)能的影響將逐漸難以察覺(jué)。

另一種選擇是早期暗能量場(chǎng)快速振蕩。這個(gè)場(chǎng)會(huì)迅速在勢(shì)能和動(dòng)能之間轉(zhuǎn)換，如同從一座山滾入山谷，再爬上另一座山，如此循環(huán)往復(fù)。若起始勢(shì)選擇恰當(dāng)，那么平均值會(huì)導(dǎo)致勢(shì)能大于動(dòng)能的整體能量密度。換言之，這種情況下會(huì)對(duì)宇宙產(chǎn)生負(fù)壓力（如同暗能量），而非正壓力（如普通物質(zhì)）。這種更為復(fù)雜的振蕩場(chǎng)景并非必需，但它可能引發(fā)各種有趣的物理后果。例如，一個(gè)振蕩的早期暗能量場(chǎng)可能會(huì)產(chǎn)生一些粒子，這些粒子或許會(huì)成為新的暗物質(zhì)候選者，或者可能為大型宇宙結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)提供額外的種子，這些結(jié)構(gòu)可能在后來(lái)的宇宙中逐漸顯現(xiàn)。

在 2016 年提出早期暗能量的初步設(shè)想后，Kamionkowski 和 Karwal 與法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的 Vivian Poulin 以及斯沃斯莫爾學(xué)院的 Tristan L. Smith 共同開(kāi)發(fā)了將模型預(yù)測(cè)與 CMB 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的工具。鑒于我們對(duì) CMB 已有極為精確的測(cè)量，且到目前為止與模型匹配度較高，想要大幅偏離標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型并非易事。起初，他們認(rèn)為早期的暗能量可能難以發(fā)揮作用。然而，令人意想不到的是，這項(xiàng)分析找出了幾類模型，它們既能允許較高的哈勃常數(shù)，又依然與 CMB 數(shù)據(jù)高度吻合。

這一充滿希望的開(kāi)端吸引了眾多科學(xué)家，他們創(chuàng)造了大量早期暗能量模型的變種。在 2018 年，這些模型在匹配 CMB 測(cè)量方面表現(xiàn)得與標(biāo)準(zhǔn)模型一樣出色。

但到了 2021 年，來(lái)自阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡（ACT）的新的更高分辨率的 CMB 數(shù)據(jù)似乎更傾向于早期暗能量，這進(jìn)一步激發(fā)了科學(xué)家們的研究熱情。然而，在過(guò)去的三年里，來(lái)自 ACT 的更多測(cè)量和分析，以及來(lái)自南極望遠(yuǎn)鏡、暗能量巡天和暗能量光譜儀器的測(cè)量和分析，卻得出了更為微妙的結(jié)論。盡管一些分析認(rèn)為早期暗能量仍有存在的可能性，但大多數(shù)結(jié)果似乎更傾向于標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型。即便如此，科學(xué)界對(duì)于這一問(wèn)題仍未達(dá)成定論：大量可以想象的早期暗能量模型依舊具有可行性。

面對(duì)這一復(fù)雜的局面，許多理論家認(rèn)為是時(shí)候探索其他思路了。但遺憾的是，目前尚未出現(xiàn)特別引人注目的可行新想法。我們迫切需要找到一些能夠增加年輕宇宙膨脹率、縮小聲音視界從而提高哈勃常數(shù)的方法?；蛟S質(zhì)子和電子在早期以一種與現(xiàn)在不同的方式結(jié)合形成原子；又或許我們遺漏了早期磁場(chǎng)的某些影響、有趣的暗物質(zhì)屬性或者早期宇宙初始條件的微妙之處。宇宙學(xué)家們不得不承認(rèn)，簡(jiǎn)單的解釋始終與我們捉迷藏，即便哈勃張力在數(shù)據(jù)中愈發(fā)清晰明確。

為了在這一研究領(lǐng)域取得進(jìn)一步的突破，我們必須持續(xù)尋找方法來(lái)檢驗(yàn)、核對(duì)和測(cè)試哈勃常數(shù)的本地值和 CMB 推斷值。天文學(xué)家們正在積極開(kāi)發(fā)測(cè)量本地距離的新策略，以增強(qiáng)基于超新星的方法。例如，以無(wú)線電干涉技術(shù)為基礎(chǔ)的類星體距離測(cè)量正在不斷取得進(jìn)展，利用星系表面亮度的波動(dòng)來(lái)測(cè)量距離也展現(xiàn)出了良好的前景。還有人試圖利用 II 型超新星和不同種類的紅巨星來(lái)測(cè)量距離，甚至有人提議利用黑洞和中子星合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)。此外，科學(xué)家們對(duì)利用引力透鏡確定宇宙距離的潛力也充滿興趣。

盡管目前的測(cè)量結(jié)果還不夠精確，尚不足以衡量哈勃張力，但我們滿懷期待。當(dāng)維拉·c·魯賓天文臺(tái)和南希·格雷斯·羅曼太空望遠(yuǎn)鏡投入使用后，相信我們將會(huì)在這一領(lǐng)域取得巨大的進(jìn)展。雖然目前我們還沒(méi)有找到確切的答案，但眾多偉大的問(wèn)題等待著我們?nèi)ヌ剿?，無(wú)數(shù)精彩的實(shí)驗(yàn)正在如火如荼地進(jìn)行著。宇宙的奧秘如同深邃的海洋，我們雖然只是在海岸邊撿到了一些貝殼，但我們堅(jiān)信，總有一天，我們能夠潛入那片神秘的深海，揭開(kāi)宇宙膨脹之謎的最終答案。

在未來(lái)的科學(xué)探索之路上，我們將繼續(xù)砥礪前行，借助不斷發(fā)展的科技手段，匯聚全球科學(xué)家的智慧，逐步撥開(kāi)哈勃張力這團(tuán)迷霧，探尋早期暗能量的真相，從而更加深入地理解宇宙的起源、演化以及其內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制。每一次新的觀測(cè)、每一個(gè)新的理論模型，都像是一把小小的鑰匙，或許有一天，它們將共同開(kāi)啟那扇通往宇宙終極奧秘的大門。我們滿懷希望，期待著那一天的早日到來(lái)。

參考資料：Could ‘Early Dark Energy’ Resolve the Mystery of Cosmic Expansion? | Scientific American