我們的宇宙正在分崩離析，星系彼此遠離的速度比之前更快。自 20 世紀 90 年代後期以來，科學家們就已瞭解這種加速現象，但無論是什麼原因導致了它——被命名為暗能量——仍然是一個謎。現在，最新的宇宙增長速度測量結果進一步加劇了這一謎團：宇宙的膨脹速度似乎比它應有的速度更快，即使在考慮了由暗能量引起的加速膨脹之後也是如此。
科學家們在將他們新測量的宇宙膨脹率（稱為哈勃常數）與基於早期宇宙證據的哈勃常數預測值進行比較後，得出了這一結論。這種令人費解的衝突——在早期資料中有所暗示，並在新的計算中得到證實——意味著，要麼其中一項或兩項測量存在缺陷，要麼暗能量或其他自然方面的作用方式與我們所認為的不同。
“底線是，宇宙的膨脹速度似乎比根據它年輕時的樣子以及我們預期它的演變速度快了大約 8%，”馬里蘭州巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的研究負責人亞當·里斯說。“我們必須非常認真地對待這個問題。”他和他的同事們在一篇論文中描述了他們的發現，該論文基於哈勃太空望遠鏡的觀測結果，上週已提交給《天體物理學雜誌》併發布在預印本伺服器 arXiv 上。
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暗能量的皺紋
最令人興奮的可能性之一是暗能量比主要理論所暗示的還要奇怪。大多數觀測結果支援這樣一種觀點，即暗能量的行為類似於“宇宙常數”，這是阿爾伯特·愛因斯坦插入他的廣義相對論方程中並隨後刪除的一個術語。這種暗能量將產生於空的空間，根據量子力學，空的空間根本不是空的，而是充滿了不斷湧現和消失的“虛擬”粒子和反粒子對。這些虛擬粒子將攜帶能量，而能量反過來可能會施加一種負引力，將宇宙中的一切向外推。
然而，哈勃常數的差異表明，暗能量實際上可能會隨著空間和時間而變化，從而可能導致宇宙加速膨脹，而不是恆定的向外力。一種提出這種暗能量的理論被稱為本原，它認為暗能量不是來自空間的真空，而是來自一個瀰漫在時空中的場，並且可以在不同的點取不同的值。
然而，對這種差異的另一種解釋是，宇宙包含我們所知道的粒子以外的其他基本粒子。特別是，一種新的中微子種類——一種幾乎沒有質量的粒子，迄今已知有三種變體——可以解釋哈勃常數測量結果的差異。如果存在額外型別的中微子，那麼宇宙的總能量將更多地以輻射而不是物質的形式存在。（中微子，因為它們幾乎沒有質量，所以以接近光速的速度傳播，因此在此計算中被視為輻射）。物質在引力作用下會聚集在一起，而更大的輻射預算將允許宇宙比原本擴張得更快。
而這些想法只是測量結果的兩種可能含義。例如，另一種選擇是，宇宙不是像人們認為的那樣是平坦的，而是略微彎曲的。理論家們興奮地追求所有這些概念以及更多概念，但參與實驗的科學家們說，他們必須首先嚐試找出測量中的缺陷，這些缺陷可以解釋這種差異。“基本上，是宇宙學中存在我們不理解的東西，還是資料本身存在問題？”約翰·霍普金斯大學的查爾斯·貝內特說，他曾參與對早期宇宙的哈勃常數進行測量，但沒有參與最新的研究。“其中一種情況更令人興奮，但我認為另一種情況可能更可能發生。”
距離階梯
里斯和他的團隊透過比較各個星系的距離與它們的紅移來計算宇宙的增長速度，紅移衡量的是它們的光的波長因宇宙的膨脹而被拉伸的程度。計算距離是一項棘手的壯舉，需要研究人員稱之為“構建距離階梯”的技術。首先，他們使用可靠的方法測量了近距離星系的距離，然後使用這些距離來校準星系內的變星的測量值。這些恆星被稱為造父變星，它們會週期性地變亮和變暗，從而可以作為宇宙標尺。最後，研究人員使用造父變星（僅在相對較近的地方可見）來校準一類特殊的超新星爆炸（稱為 1a 型）的測量結果，這種爆炸會以已知的亮度爆發，從而使天文學家可以推斷出它們的距離。一旦他們獲得了附近的超新星的可靠測量值，他們就可以將它們與更遠的同類型超新星進行比較，以非常準確地讀取它們的距離。
這本質上與里斯及其同事在 20 世紀 90 年代發現宇宙膨脹正在加速的第一個證據時所使用的技術相同——這一發現後來為他和另外兩人贏得了諾貝爾物理學獎。2011 年，該團隊根據包含造父變星和 1a 型超新星的 8 個星系，對哈勃常數進行了更新的測量，但新論文又增加了 10 個星系。“對於這 10 個星系中的每一個，我們在大約 100 天的時間跨度內觀測了它們大約 12 次，”德克薩斯農工大學的薩曼莎·L·霍夫曼說，他分析了大部分資料。“這是一項相當大的工作。”最新的測量結果將宇宙的膨脹速度定為每秒每百萬秒差距（約 300 萬光年）73.02，誤差為正負 1.79，這意味著每向外移動一個百萬秒差距，空間就會以每秒約 73 公里的速度退縮得更快。
回顧過去
另一方面，早期宇宙的哈勃常數測量來自對宇宙微波背景（CMB）的觀測——宇宙大爆炸遺留的光，它瀰漫在整個天空。研究人員研究了 CMB 中的模式，並根據最知名的宇宙學定律推斷到現在，從而得出了哈勃常數。迄今為止對 CMB 的最佳觀測是由歐洲航天局的普朗克衛星進行的，其資料將宇宙的膨脹率定為每秒每百萬秒差距 67.3，誤差為正負 0.7。
“以前，兩種測量結果中存在這些緊張的跡象，”里斯團隊的成員芝加哥大學的丹·斯科爾尼克說。“現在，我們的團隊和普朗克團隊都重新進行了分析，這些跡象變得更加強烈。我們有一個警鐘，表明可能真的有更多的事情發生。這可能是現在宇宙學中最大的緊張關係。”
最新結果也與其他基於類似距離階梯測量的哈勃常數測量結果非常一致，例如芝加哥大學的溫迪·弗裡德曼於 2012 年領導的一項研究。“我認為有趣的是，他們增加了樣本量，但結果基本沒有變化，”弗裡德曼說。“能夠達到這一點是非常了不起的進步，但實際上要在這個水平上進行明確的測量，需要獨立的方法。最終如何解決這個問題現在還為時過早。”弗裡德曼正在領導一項使用另一種宇宙標尺——RR 萊拉變星——代替造父變星進行相同計算的努力。
在 CMB 方面，科學家們也在繼續分析資料，並尋找可能出錯的解釋。貝內特在普朗克實驗之前領導了一項 CMB 測繪任務，名為威爾金森微波各向異性探測器 (WMAP)，他說 CMB 資料中也存在差異，例如，衛星透過檢視小尺度天空與大尺度天空所測量的結果之間存在差異。“在我對宇宙學得出結論之前，我想先了解這些事情，”他說。總的來說，他對取得的進展感到非常興奮。
“我們經歷了多年不瞭解哈勃常數值的兩倍的情況，而現在我們談論的是將其誤差控制在 2% 以內，”他補充說。“我們正在比較的這些東西具有很高的精度，這證明了該領域的許多人的貢獻。這裡的資訊是，事情還沒有結束。我們需要繼續前進。”