神秘而深邃的宇宙,一直吸引著人類的目光,隨著科技水平的不斷進步,人類對宇宙的理解也越來越深入,但這一過程並不是一帆風順的,在有些時候,我們也會遇到很是令人困惑的謎題,例如科學家就透過韋伯望遠鏡新發現,使用不同的方法得出的哈伯常數存在著難以解釋的差異,而這也強烈暗示了,人類理解的宇宙,可能並不真實。下面我們就來看看這具體是怎麽回事。
(↑韋伯望遠鏡)
哈伯常數的發現,源自天文學家艾德溫·哈伯在1929年的研究,他透過觀測遙遠星系的光譜紅移,發現大量的星系都在遠離我們而去,這也被稱為「退行」,並且他還發現,這些星系的「退行速度」與距離成正比。科學家們據此認為,這一現象表明宇宙正在膨脹,並且宇宙的膨脹有一個固定的速率,實際上,這個「固定的速率」就被稱為哈伯常數。
由於哈伯常數在宇宙學中非常重要,它不僅是衡量宇宙膨脹速率的參數,還與宇宙的年齡、演化過程以及物質分布密切相關,除此之外,哈伯常數也是我們理解暗能量、宇宙微波背景放射線和結構形成理論的核心數據,因此在過去的日子裏,科學家們也一直在致力於精確測量哈伯常數。
在相關研究中,科學家們主要使用了兩種方法,一種可稱為「距離測量法」,這種方法主要依賴於觀測目標星系與我們的距離,以及它們的宇宙學紅移量。
其原理可簡單地描述為,透過光譜觀測,科學家可以測量目標星系光譜因為「退行」而產生的紅移現象,這可以直觀地反映出它們因為宇宙膨脹而遠離我們的「退行速度」,由於紅移量與星系的「退行速度」成正比,而「退行速度」又與距離成正比,因此只要精確測定出星系光譜因為「退行」而產生的紅移量,以及它們與我們之間的距離,就可以據此計算出哈伯常數。
另一種方法則可稱為「標準宇宙學模型法」,這種方法主要依賴於宇宙微波背景放射線的觀測,以及基於標準宇宙學模型的理論推導。
其原理可以簡單地描述為,宇宙微波背景放射線是宇宙大霹靂之後留下的最古老的光,它記錄了早期宇宙物質溫度和密度的漲落細節,科學家透過精確測量宇宙微波背景放射線,就可以從中推匯出早期宇宙的物質、能量密度以及暗物質、暗能量等重要參數,然後再透過擬合這些參數與標準宇宙學模型中的物理規律,推算出宇宙從早期到現今的演化歷程,並據此計算出哈伯常數。
科學家認為,這兩種方法都沒有問題,因此它們得出的數值也應該是一致的(至少是基本一致),與之對應的是,在早期的研究中,這兩種方法得到的哈伯常數確實存在著重疊部份,這似乎也印證了這種觀點。
但令人意外的是,隨著觀測水平的日益提升,這兩種方法的誤差也在不斷減小(如上圖所示),而在後期的研究中,這兩種方法得到的數值就不再重疊(如上圖所示),其中「距離測量法」得到的哈伯常數為73(誤差為1),「標準宇宙學模型法」得到的哈伯常數為67.4(誤差為0.5)。可以看到,兩者之間存在著不可忽視的差異,而這也被稱為「哈伯沖突」(Hubble tension)。
應該如何解釋「哈伯沖突」呢?科學家推測,這應該是有一種方法的觀測數據出現了較大偏差,而最大的可能就是「距離測量法」,畢竟這種方法的觀測數據主要來自發射於1990年的哈柏望遠鏡,而「標準宇宙學模型法」的觀測數據則主要來自發射於2009年的普朗克衛星,相對而言,後者更加精準,並且其觀測數據還經過了多方面的驗證,科學家對其充滿信心。
也正因為如此,科學家對韋伯望遠鏡寄予厚望 ,作為哈柏望遠鏡的「繼任者」,韋伯望遠鏡發射於2022年,它能夠以前所未有的精度對宇宙深空進行觀測,所以科學康寶觀地認為,這台強大的望遠鏡有望幫助我們消除這個差異。
(↑哈柏望遠鏡與韋伯望遠鏡所觀測到的同一星系,紅點是被稱為「標準燭光」的造父變星)
然而盡管韋伯望遠鏡的觀測能力確實比哈柏望遠鏡強大得多,但韋伯望遠鏡的觀測結果即表明,雖然哈柏望遠鏡的觀測數據存在相對較大的誤差,但其測得的數值的中值與韋伯望遠鏡卻是一致的,這就意味著,此前透過「距離測量法」得到的哈伯常數,並不存在「觀測數據出現了較大偏差」的問題。
(↑哈柏望遠鏡與韋伯望遠鏡的觀測數據對比,灰點來自哈伯,紅點來自韋伯)
也就是說,在使用了觀測能力強大得多的韋伯望遠鏡之後,上述的差異依然存在,並且變得難以解釋,這表明「哈伯沖突」並不是由觀測精度或技術限制引起,而可能指向更深層的問題——上述兩種被認為「沒有問題」的方法,其實存在未知的問題。
一方面來講,如果問題出在「距離測量法」,那麽我們的宇宙學和天文學中與之相關的大量知識和理論都必須修正甚至覆寫,另一方面來講,如果問題出在「標準宇宙學模型法」,那麽我們的標準宇宙學模型中的很多參數就必須修正或覆寫,甚至還需要加入一些新的參數。
這就意味著,無論是哪種情況,人類理解的宇宙,都可能並不真實,又或者說,真實的宇宙,可能並沒有按照人類理解的那樣執行。就目前的情況來看,相關的研究仍在進行之中,期待在不太遙遠的未來,科學家能夠揭開這個巨大的謎題。