在最初，整個空間都像鈴鐺一樣鳴響。
那是大爆炸之後的瞬間，宇宙充滿了熾熱的等離子體——一種充滿能量的粒子和輻射的湯。雖然等離子體非常平滑，但並非完全平滑。加州大學戴維斯分校的宇宙學家勞埃德·諾克斯說，存在輕微的密度和壓力梯度推動物質運動，“當物質被推動時，那就是聲波。”
這種鳴響發生在每個地方，強度如此之大，以至於138億年後我們仍然可以感知到它。它已經在宇宙微波背景輻射中被直接探測到，這是大爆炸逐漸消退的火球留下的餘輝，並且已經透過研究太陽結構的相同基本物理學進行了密切分析。事實上，原始的 reverberation（迴響）被測量和建模得非常好，以至於它已被用於推匯出宇宙膨脹的精確速率，這個數字被稱為哈勃常數。反過來，該常數是我們現代理解宇宙的大小、年齡和結構的基礎。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們今天世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
但這種看似的勝利最近讓諾克斯和他的同事陷入了爭議和困惑。如果宇宙學家的主流宇宙理論是正確的，那麼在現代計算哈勃常數的所有方法都應該給出相同的答案。從古代聲波推斷出的值應該與從對遙遠恆星和星系的光的獨立研究中得出的值完全匹配。實際上，一系列研究表明，這兩種方法產生了令人煩惱的分歧——研究人員越努力地解決這個問題，衝突似乎就越明確。
一種可能性是有人犯了錯誤。然而，隨著證據的積累，諾克斯已經開始接受另一種可能性：錯誤不在於他的同事，而在於宇宙本身。如果是這樣，弄清楚為什麼空間的鳴響方式與他們預期的不同，可能會引導宇宙學家發現以前未知的物理學，從而可能揭示現實的全新方面。諾克斯和他的合著者在一項新研究，發表在The Astrophysical Journal（《天體物理學雜誌》）上，探討了這種誘人的可能性。“在過去的兩年裡，”他說，“我已經從認為‘一定是他們做錯了什麼’演變為認為‘哇，也許他們沒有做錯任何事情。也許這是我一直在等待的線索！’”
追逐聲視界
在他們的論文中，諾克斯和他的公司將注意力集中在聲視界上，這是宇宙學家研究早期宇宙的一個晦澀但至關重要的方面。在大爆炸之後，由光和物質相互作用產生的聲波在熾熱的、充滿等離子體的宇宙中自由傳播。大約38萬年後，物質冷卻到足以形成原子，與光脫鉤並抑制了聲波。突然，鳴響停止了，將最終的、凍結的波浪模式印在逃逸的光中，我們今天在宇宙微波背景輻射中看到了它。
聲視界定義了那些最終波浪的大小。“在等離子體消失時，聲音擾動將傳播多遠？那個距離就是聲視界，”諾克斯說。
正如您可以從鈴鐺的鳴響方式中直觀地瞭解鈴鐺的品質（一個小玻璃鈴鐺聽起來與一個大的黃銅鈴鐺完全不同），研究人員可以從微波背景輻射中記錄的宇宙聲音中推斷出宇宙的精確屬性。這就是他們如何自信地宣佈宇宙由 4.8% 的普通物質、26% 的被稱為暗物質的看不見的物質和 69% 的暗能量組成，暗能量是一種神秘的反引力力，它將空曠的空間拉開。更重要的是，對於我們的故事而言，這也是他們可以高精度地推匯出宇宙膨脹率的一種方式。
2015 年，由劍橋大學的喬治·埃夫斯塔西奧領導的一個龐大團隊，分析了歐洲航天局普朗克探測器的微波測量資料，並揭示了宇宙的重要統計資料。他們的結果表明，宇宙正在以每秒每百萬秒差距 67.8 公里的速度膨脹（“百萬秒差距”是等於 326 萬光年的距離單位）。宇宙學家通常會省略掉最後那個拗口的詞，而只是簡單地說哈勃常數在 67 到 68 之間。
與此同時，相互競爭的天文學家小組一直在以一種截然不同的方式研究宇宙的膨脹，即尋找已知距離的變星或超新星爆炸，然後直接測量它們遠離我們的速度。這種“距離階梯”方法比聽起來更棘手。計算數百萬光年以外的距離是一項微妙、耗時的任務，充滿了各種系統性錯誤的可能。如果恆星的位置錯了，那麼整個計算就會出錯。
“每次你提高精度，你都必須達到系統誤差的新水平。這就是讓我夜不能寐的原因，”芝加哥大學的溫迪·弗裡德曼說，她已經在哈勃常數問題上努力了三十多年。透過不斷降低不確定性並利用最新的觀測結果的變星，她的團隊得出了他們自己的高精度答案：73.2——爭議由此而來。“這兩個數字在 10% 以內達成一致，這是一個了不起的進步，”她說，但粗略的一致性已經不夠好了。“誤差條肯定不重疊，而且沒有任何明顯的可能導致差異的原因。”為了找出任何不明顯的難題，她正在開發一種使用紅巨星作為參考點的新型距離測量方法。與此同時，她正在進行一項雙盲實驗，以重新分析她所有的現有資料，以查詢偏差和錯誤。
雙方的宇宙學家也在向外部團體尋求指導。到目前為止，那些裁判只是加深了謎團。加州大學洛杉磯分校的一項研究，研究了光線如何被遙遠的星系彎曲，得出的哈勃常數為 72.5，接近距離階梯的結果。與此同時，一項同樣令人信服的研究，研究了原始聲波如何影響現代宇宙中星系的分佈，得出的常數是——你猜對了——67。錨定在聲視界的哈勃常數計算結果始終低於基於對恆星和星系的觀測結果的計算結果——沒有人知道為什麼。
一個複雜的黑暗宇宙？
所有測量結果都可能正確的一種方式是，科學家對這些測量結果的解釋存在問題。諾克斯指出，我們對聲視界起源的所有了解都取決於宇宙在其看不見的最初 38 萬年期間如何表現的理論模型。如果模型是錯誤的，並且聲視界的大小與他們預測的不同，那麼這種調整將改變從中得出的所有數字，包括哈勃常數。“如果存在宇宙學解決方案，那必須是導致較小聲視界的解決方案，”諾克斯說。將其縮小 7%，所有研究都愉快地彼此達成一致。問題是，完全不清楚是什麼原因導致了這種縮小。在幾乎所有其他方面，模型和觀測結果都緊密地結合在一起。
“很難想到一個完美解釋一切的答案。它必須是複雜的東西，因為我們已經嘗試了所有簡單的事情，”伯克利宇宙物理學中心的研究員馬裡烏斯·米莉亞說，他是諾克斯的合著者之一。他指出，列出不起作用的東西要容易得多：未被發現的中微子型別？不是。光子之間的新型相互作用？不不。它們都與資料衝突。
在諾克斯看來，最令人信服的解釋是，極早期宇宙的膨脹速度略快於預期。如果是這樣，那麼它的冷卻速度會更快，並且會更早地凍結聲視界。那麼聲視界將比理論家們插入他們模型中的聲視界小，並且——問題解決了！或者更確切地說，問題再次被推遲了，因為現在你需要一些解釋來解釋是什麼讓早期宇宙更快地起飛。
諾克斯有他的懷疑。“潛在地，這正在引導我們走向‘黑暗領域’中的一種新成分，”他說，他指的是宇宙學家對宇宙中不以任何方式與輻射相互作用的不可見成分的統稱。研究人員已經呼叫暗物質來解釋星系運動，並呼叫暗能量來解釋宇宙的加速膨脹。諾克斯認為，哈勃常數的不同測量結果可能是第三種黑暗成分存在的第一個跡象——也許是“黑暗渦輪”，它增加了早期宇宙的能量，加速了它的膨脹並改變了它的聲音的音調。一個相關的可能性是暗能量具有不止一種形式，或者隨著時間的推移以複雜的方式變化。最近一項使用 NASA 的錢德拉 X 射線天文臺對 1,598 個遙遠類星體的研究，為後一種解釋提供了有趣的，如果說是初步的證據。
呼叫一些新的和看不見的東西來解釋令人困惑的結果似乎是一種作弊行為，但諾克斯從相反的角度看待這種情況：哈勃常數的衝突可能正在將宇宙的一個直到現在還完全沒有被探測到的方面帶入視野。而且他不認為存在多種型別的黑暗元素有什麼奇怪之處。他指出，宇宙的可見部分包含許多不同型別的粒子和力，並問道：宇宙的黑暗面難道不能也很複雜嗎？
無論如何，這不是一場哲學辯論，而是一個具體的科學問題。南極望遠鏡和智利阿塔卡瑪宇宙學望遠鏡對早期宇宙的新觀測將進一步探測聲視界。諾克斯也是一個名為CMB-S4的擬議的下一代地面專案的一部分，該專案旨在以高靈敏度繪製微波天空的極化圖。此外，弗裡德曼幾乎完成了她的綜合資料重新分析。引力波研究也將提供一種完全獨立的方式來評估真實的哈勃值。
很快，資料將確定科學家們一直在追逐錯誤，還是在宇宙中一個未被發現的領域中取得進展。“如果結果證明是基礎物理學的新發現，那就更有趣了——但這不由我們想要它成為哪種方式來決定，”弗裡德曼說。“宇宙不在乎我們怎麼想！”