自从爱因斯坦提出广义相对论,我们就认为宇宙处于不断膨胀之中。然而,要精确测量宇宙的膨胀速率并非易事。长期以来,天文学界对此存在着争议,被称为"哈勃张力"(Hubble Tension)的难题一直困扰着科学家。但最新的观测结果表明,这个谜团可能并非测量误差导致,而是我们对宇宙的本质认识出现了严重缺陷。
脉冲变星是一种老年恒星,它们会周期性变亮变暗。科学家可以利用脉冲变星的这种特性,估算出它们的实际亮度,进而推算出与地球的距离。以这些已知距离的脉冲变星为基准,就可以构建一个"宇宙距离阶梯",借助阶梯上更近和更远的参照物,推测出更遥远星系的距离。
之前哈勃太空望远镜也曾对一些脉冲变星进行过测量,但受限于分辨率,总是存在一些测量误差。而这次,研究团队利用JWST对超过1000颗脉冲变星进行了高清观测,样本量之大前所未有。
这些脉冲变星分布在8个不同星系中,平均每个星系有150多颗,覆盖了之前利用哈勃望远镜测量哈勃常数(宇宙膨胀速率)时的所有距离范围。凭借JWST卓越的分辨率,研究人员消除了以往测量中的干扰噪声,比如恒星重叠导致的"拥挤"噪声。同时通过使用多个波段和变星周期进行校正,进一步降低了测量误差。
最终,研究团队发现JWST和哈勃望远镜测量出的宇宙膨胀速率之间,并无显著差异。也就是说,之前所谓的"哈勃张力"疑虑,并非由于测量误差导致。
这个结果排除了测量误差是张力来源的可能性,相当于是给哈勃张力这个谜团"补了最后一刀"。研究人员得出结论:测量脉冲变星亮度来估算宇宙膨胀速率本身是准确的,哈勃张力的存在有可能意味着我们对宇宙的本质认知出现了缺陷。
第一种是研究宇宙微波背景辐射(CMB)。大约138亿年前的大爆炸让整个宇宙在短短几百万年内就从一团热浆逐渐冷却、演化成为今天的结构。在冷却过程中,宇宙曾一度是一团燃烧的普通物质和辐射混合体,就是我们现在所看到的CMB。它的轮廓中蕴含着宇宙初期起伏波动的细微印记。
欧空局的普朗克卫星就是测绘这种微小波动的。2009年到2013年间,普朗克对CMB进行了精密测量,从而推导出当前宇宙的哈勃常数约为67公里每秒每百万秒差距。这就是根据CMB所得出的宇宙膨胀速率。
另一种测量哈勃常数的"金钥匙"是利用脉冲变星。脉冲变星是一种正在死亡的老年恒星,随着不断吸收和释放自身的热辐射,它的外层气体会周期性地膨胀和收缩,导致恒星的亮度也随之脉动起伏。脉冲变星的脉冲周期越长,绝对亮度就越高,利用这一关系,天文学家便可以精确测量出它们的实际距离。以这种脉冲变星为基准,天文学家构建了一个"宇宙距离阶梯",借助阶梯上更近和更远的参照物,就能估算出遥远星系的距离,并进而根据它们光线的红移程度推算出宇宙的膨胀率。然而,这一测量结果竟然与CMB方法得出的值相差甚远,哈勃常数约为每秒74公里/百万秒差距,两者存在着难以解释的巨大差异。
这就是所谓的哈勃张力难题。最初一度怀疑是测量误差导致,毕竟脉冲变星在望远镜视野中与其他天体重叠会干扰观测。但随着新一代的詹姆斯-韦伯太空望远镜的加入,专家们对脉冲变星的距离和亮度进行了更精确的测量,结果却进一步印证了此前存在明显张力的结论。
约翰·霍普金斯大学物理天文学教授亚当·里斯说:"我们现在已经覆盖了哈勃望远镜观测的整个范围,我们可以非常有把握地排除测量误差是哈勃张力的原因。结合哈勃的优势,我们发现哈勃之前的测量在更大的宇宙尺度上仍然可靠。"
这位里斯教授因发现暗能量而获得2011年诺贝尔物理学奖。暗能量是一种神秘力量,导致宇宙膨胀速度在140多亿年前开始加快。如今,暗能量被认为是推动现今宇宙加速膨胀的根本动力,占据着宇宙绝大部分物质能量。而里斯带领的最新研究似乎揭示了暗能量可能存在某种未知的缺陷或谬误。
加州大学物理学教授、诺奖得主大卫·格罗斯评论说:"这不仅仅是张力或普通的问题,而是整个物理学领域正面临的一场危机。"如此棘手的困境意味着,我们对宇宙本质的理解还存在着重大缺陷和遗漏。
有人曾形象地将这一谜团比作"爱因斯坦的宇宙黑洞",预示着我们潜心研究了一个多世纪的宇宙学理论或许将被彻底颠覆。毕竟,物理定律如果连宇宙自身的根本属性都无法准确描述,就等于我们一直在盲人骑瞎马。
那么,真理又将通向何方?面对这个巨大的未解之谜,未来的物理学家也许需要重新检视广义相对论理论,并在其中寻找致命漏洞。或者,一种全新的革命性理论正在等待被发现,能让我们重新认识宇宙的全貌。这对人类而言,既是挑战,也是一次开启新视野的机遇。所谓真理无遗,其实只不过是我们尚未觉醒的前夜而已,就让我们拭目以待,新的科学道路将通往何方。
无限宇宙，不接受反驳，