膨脹的宇宙

1929年，美國(guó)著名天文學(xué)家埃德溫·哈勃根據(jù)他對(duì)宇宙中星系的遠(yuǎn)離現(xiàn)象，提出了著名的哈勃定律。他告訴我們：宇宙中的星系不僅在遠(yuǎn)離我們，而且退行速度與它們和我們之間的距離成正比。

從那個(gè)時(shí)候開(kāi)始，人們關(guān)于宇宙的誕生也有了一個(gè)初步的猜想。通過(guò)宇宙膨脹的現(xiàn)狀進(jìn)行反推，會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙的初始狀態(tài)可能是集中在一起的一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)然了，科學(xué)家們并不是簡(jiǎn)單地通過(guò)這種邏輯來(lái)進(jìn)行分析，相關(guān)的理論計(jì)算也告訴我們：宇宙很可能起始于一個(gè)奇點(diǎn)，然后在一次大爆炸中形成。

直到今天，宇宙仍然在膨脹——當(dāng)然了，這是暗能量所導(dǎo)致的?？茖W(xué)家們對(duì)于宇宙的膨脹所了解的東西，其實(shí)相當(dāng)有限。甚至關(guān)于宇宙的膨脹速度，科學(xué)家們也遲遲給不出一個(gè)結(jié)論。哈勃定律指出：天體的退行速度等于天體和地球之間的距離乘以哈勃常數(shù)。也就是說(shuō)，直到現(xiàn)在，科學(xué)家們也不知道哈勃常數(shù)到底是多少。

（圖片說(shuō)明：哈勃定律，v是天體退行速度，即那個(gè)位置的宇宙膨脹速度，H是哈勃常數(shù)，d是天體與我們的距離）

目前來(lái)說(shuō)，科學(xué)家們一共找到了兩種比較可靠的方法來(lái)計(jì)算哈勃常數(shù)。這看起來(lái)很不錯(cuò)，因?yàn)檫@讓人覺(jué)得科學(xué)家們很有辦法。但是，科學(xué)家們卻為此非常困擾，因?yàn)檫@兩種方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果竟然不一致。這意味著，我們根本不知道哪一種方法得到的數(shù)據(jù)是正確的，或者更有甚者，這兩個(gè)都不是正確答案。

紅移法

根據(jù)哈勃定律可以知道，如果我們求出了公式中的另外兩項(xiàng)，就可以計(jì)算出哈勃常數(shù)。其中，遙遠(yuǎn)星系的距離，我們可以通過(guò)Ia型超新星來(lái)進(jìn)行觀測(cè)。這種超新星亮度非常高，甚至可以超過(guò)一個(gè)星系，而且它們的絕對(duì)亮度是固定的。因此，只要觀測(cè)到其視覺(jué)亮度，再通過(guò)其應(yīng)有的絕對(duì)亮度，就能計(jì)算出它所在的星系和地球之間的距離。

同時(shí)，當(dāng)星系遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，它發(fā)出的光會(huì)出現(xiàn)多普勒效應(yīng)，也就是向紅色方向偏移，這就叫做紅移。通過(guò)星系的紅移值，我們就可以推測(cè)出它們和地球之間的相對(duì)速度。

通過(guò)星系和我們的距離以及退行速度，天文學(xué)家們就能夠計(jì)算出哈勃常數(shù)，大約在71-75（km/s）/Mpc（注：Mpc是百萬(wàn)秒差距，約合326萬(wàn)光年）之間。

宇宙微波背景輻射法

20世紀(jì)60年代，科學(xué)家們?cè)谟钪嬷杏^測(cè)到了一種重要的現(xiàn)象，那就是宇宙微波背景輻射。這是宇宙大爆炸的38萬(wàn)年后留下的痕跡，記載著宇宙的早期歷史，因此又被稱(chēng)為大爆炸的余暉。

宇宙微波背景輻射充斥在整個(gè)宇宙空間中，但是并非處處都完全相同。通過(guò)觀測(cè)，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不同位置上有溫度的細(xì)微區(qū)別。而這樣的溫度差別，就是來(lái)自于宇宙膨脹速度的不同。

歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星就是專(zhuān)門(mén)進(jìn)行這方面觀測(cè)的，通過(guò)對(duì)宇宙微波背景輻射的觀測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家們計(jì)算發(fā)現(xiàn)，哈勃常數(shù)大約是67-68（km/s）/Mpc。

第三種方法

奇怪了，兩種方法得到了兩種答案，到底哪一種才是正確的呢？

看起來(lái)，我們需要第三種方法。如果新的方法能夠和上面的一種相符合，那么就意味著我們可能接近正確答案了。多年以來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找其他測(cè)量宇宙膨脹速度的方法，比如我們?cè)?jīng)介紹過(guò)的重子聲波振蕩（BAO）法。

最近，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙中有一種天體或許能夠幫助我們理解宇宙的膨脹速度，這種天體就是J-區(qū)漸近巨星支（JAGB）。所謂的漸近巨星支，指的是一種進(jìn)入到演化末期的恒星。如果一顆恒星質(zhì)量不足太陽(yáng)的7倍，它就會(huì)在演化末期進(jìn)入到這個(gè)階段，膨脹為紅巨星。

而JAGB則尤為特殊，它是一種特殊的紅巨星，其大氣中充斥著許多的碳元素。據(jù)分析，JAGB很可能也有一個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的亮度，也就是說(shuō)，所有的JAGB亮度基本都是一致的。這樣一來(lái)，它們就像Ia型超新星一樣，可以成為宇宙的一把量天尺，幫助我們測(cè)量它們所在星系的距離。同樣的，JAGB也非常明亮，也足以在遙遠(yuǎn)的星系中脫穎而出，被我們觀測(cè)到。

芝加哥大學(xué)的天體物理學(xué)家Abigail Lee指出：“通過(guò)此前經(jīng)驗(yàn)性的觀測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)這種恒星在不同的星系之間都有著固定的亮度?！边@樣的發(fā)現(xiàn)令人十分興奮，她以第一作者的身份將利用JAGB用于測(cè)量宇宙膨脹速度的方法發(fā)表為論文。

你可能會(huì)問(wèn)：如果是這樣的，那和紅移法也沒(méi)什么區(qū)別啊。

看似如此，實(shí)則不然。

實(shí)際上，在分析紅移法可能不準(zhǔn)確的原因時(shí)，也有人提出一種觀點(diǎn)，那就是Ia型超新星未必足夠標(biāo)準(zhǔn)。如果宇宙中的Ia型超新星并不全都是同一個(gè)亮度，那么用這種方法測(cè)量的星系距離就根本不會(huì)準(zhǔn)確。

因此，如果JAGB能夠作為新的標(biāo)準(zhǔn)量天尺來(lái)幫助我們測(cè)量星系的距離，那將會(huì)大大有益于科學(xué)家們計(jì)算宇宙的膨脹速度，進(jìn)而了解我們的宇宙到底有多么巨大。

未來(lái)

不過(guò)，科學(xué)家們也指出：這種方法目前還處于初始階段，因此還不太可能在短期內(nèi)就成為我們破解哈勃常數(shù)之謎的工具。在此之前，我們還需要對(duì)這個(gè)方法進(jìn)行大量的檢查和驗(yàn)證，確保它的可靠性。

Lee表示：“由于這個(gè)方法相對(duì)來(lái)說(shuō)還很新穎，因此本次項(xiàng)目的主要目的是確定它在精度和準(zhǔn)確度上是否能夠和其他距離測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)分庭抗禮……我們目前還沒(méi)有把握確定哈勃常數(shù)的精確數(shù)值，因此這項(xiàng)工作真的具有非常重要的意義，它將幫助我們接近目前宇宙學(xué)中最大的謎題?！?/span>

據(jù)介紹，她和她的團(tuán)隊(duì)接下來(lái)將會(huì)對(duì)本星系團(tuán)附近的沃爾夫-倫德馬克-梅洛特星系進(jìn)行觀測(cè)和分析，驗(yàn)證這個(gè)方法的可行性。如果驗(yàn)證結(jié)果樂(lè)觀，接下來(lái)就可以進(jìn)行更遠(yuǎn)的驗(yàn)證，并最終用于解決最大的那個(gè)宇宙謎題了。

宇宙到底有多大、它的膨脹速度到底有多快，這個(gè)秘密或許即將揭曉。

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