争议中的哈勃常数

哈勃常数以美国天文学家埃德温· 鲍威尔· 哈勃的名字命名

宇宙膨胀到底有多快？进入2020年后，关于这个宇宙学基本问题，宇宙学家之间的争论仍然在继续，并且有愈演愈烈的趋势。

以广义相对论为理论基础，加上对于宇宙大爆炸的回响——宇宙微波背景辐射的探测，人类在20世纪逐渐开创了宇宙学研究，并且建立起了“宇宙标准模型”（Standard Model of Cosmology，ΛCDM Model），其中包含了宇宙微波背景辐射、暗能量、冷暗物质和宇宙的大尺度结构等构成宇宙的基本因素，还包含一个基本常数——哈勃常数（Hubble Constant），用以描述宇宙的膨胀速度。

问题在于，哈勃常数的数值究竟是多少？这个问题并不容易回答。进行大尺度的宇宙学探测，必须考虑各方面影响可能造成的误差。通过不同方式计算出的哈勃常数各有不同。不过近几年来，宇宙学家们通过两种完全不同的方法测量哈勃常数，得出的数值总是有较大差距，这使宇宙学家们逐渐分成两派。有越来越多的宇宙学家投入到测量哈勃常数的竞赛中来，各种新方法也开始不断涌现。

宇宙学家们最初希望通过普朗克卫星在2013年测量宇宙各个方向的微波背景辐射的数据来推算出宇宙的早期形态，并由此计算出哈勃常数的精确数值。由这个方法得出的哈勃常数数值大约为67（意为天体与地球的距离每增加大约300万光年，其相对于地球退行的速度就会增加67公里每秒）。

与之相对的另一种方法，是诺贝尔奖得主、约翰·霍普金斯大学的宇宙学家亚当·里斯（Adam Riess）多年来对宇宙膨胀速度进行直接观测，他得出的哈勃常数数值大约为74，明显高于通过普朗克卫星测得的数值。里斯的测量数据并非孤例，他得到了来自其他宇宙学家的支持。2019年，有三组独立的宇宙学家分别通过不同的方式测量哈勃常数，得出的数值都与里斯的测量结果接近。

通过两种方法得出的哈勃常数有明显差异。这是否说明宇宙标准模型可能有所欠缺，需要修改？2019年7月，诺贝尔奖得主、卡维利理论物理研究所前所长戴维·格罗斯（David Gross）在一次会议上评价这个事件是一个物理学“危机”。

宇宙学家对哈勃常数的测量没有停止，随后又有新的测量结果出现。芝加哥大学的宇宙学家温蒂·弗里德曼（Wendy Freedman），利用美国航空航天局的哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope），选取红巨星支尖（Tip of the Red Giant Branch, TRGB）作为标准烛光（Standard Candles）来测量宇宙膨胀的速度，结果她和同事所测得的哈勃常数数值明显低于里斯的测量数值，反而与通过普朗克卫星的数据计算出的数值相近。

弗里德曼的测量结果一经公布，就受到了其他宇宙学家的质疑。有人认为她在分析中使用了过时的数据，另外校准技术也值得怀疑。针对所受到的质疑，弗里德曼和同事于2020年3月4日在《天文学期刊》（The Astrophysical Journal）上发表论文《对红巨星支尖（TRGB）的校准》〔Calibration of the Tip of the Red Giant Branch （TRGB）〕，报告了她们对测量数据的检查以及对批评的回应。论文中的结论是，与人们所估计的相反，如果使用更新的数据进行计算，那么由此得出的哈勃常数数值还会更低，更接近通过普朗克卫星的数据得出的数值。

关于她和里斯通过直接观测计算哈勃常数存在的明显差异，弗里德曼认为这源于两人使用了不同的天体作为测量距离的标准烛光。弗里德曼认为，相比之下里斯的方法误差更大。里斯使用了一种宇宙学观测的标准方法，利用造父变星（Cepheid）作为标准烛光。造父变星是宇宙中一种常见的天体，其亮度不仅会发生周期性的变化，而且亮度数值又与其变化的周期直接相关。因此，通过观察造父变星的变化周期就可以计算出其真实的亮度，再与其被观测到的亮度进行对比，就能够计算出它与地球之间的距离。

虽然这种方法已经成为宇宙学的标准方法之一，但弗里德曼认为，有不同的因素会对这种方法的准确性造成干扰。造父变星所在的宇宙区域可能充满灰尘，使其显得相对更加暗淡；而聚集在一起的造父变星又会显得过于明亮——这两种干扰因素都会导致较大的观测误差。也正是出于这样的考虑，弗里德曼才决定选择红巨星支尖作为标准烛光。

所谓“红巨星支尖”，是正在进入死亡状态的红巨星。比如太阳就是一颗标准的红巨星，当红巨星的燃料逐渐耗尽，进入生命晚期，会逐渐变亮，在到达一个关键节点时，恒星中的氦元素被忽然点燃，亮度到达顶点，也就成为红巨星支尖。这种处于特殊状态的天体亮度大致相同，使它成为一种理想的标准烛光。红巨星支尖大多存在于星系边缘，周围环境比较空旷，干扰因素更少。

在宇宙中相对空旷的区域，弗里德曼和同事先是借助IC 1613星系和小麦哲伦星系中的红巨星支尖作为标准烛光进行校准，随后他们把这两个区域的标准烛光与充满灰尘的大麦哲伦星系中的标准烛光的亮度作对比，又可以反过来计算出在大麦哲伦星系中存在着多少灰尘。弗里德曼发现，大麦哲伦星系中的灰尘比人们此前想象的更多。

因为人们对大麦哲伦星系与地球距离的计算较为精确，利用其中的红巨星支尖作为标准烛光来计算哈勃常数也就更值得信赖。

在通过不同的方法进行核查之后，弗里德曼利用红巨星支尖作为标准烛光计算出来的宇宙膨胀速度，明显低于里斯以及其他几组宇宙学家测得的数据，却更接近于普朗克卫星测得的宇宙早期的膨胀速度。

在没有更新的方法、更准确的观测设备出现之前，参与测量哈勃常数的宇宙学家们逐渐分为两派，都认为自己的观测手段更精确，对方的方法则有较大误差。通过不同的方法得出不同的数值，这样的情况在科学发展过程中当然并非首次出现，有可能随着观测技术逐步改进，双方获得的数值趋于一致，也有可能在这挥之不去的差距之中，蕴含着新的科学。

（本文写作参考了《天文学期刊》 《科学美国人》和《Quanta Magazine》的相关报道） 红巨星哈勃天文弗里德曼宇宙学天体物理学太空哈勃常数