宇宙膨胀速度还在加快 科学家正寻求新的解释

天文学家发现，宇宙膨胀正在加速，很可能是由于暗能量的作用，正如 Lambda CDM 模型所描述的那样。然而，膨胀率测量结果（即哈勃张力）的不一致性正促使人们研究新理论和修改现有模型。

对天文学家来说，星系发出的光波长越长，星系远离我们的速度就越快。星系离我们越远，它的光线就越偏向光谱红色一侧的长波长--因此"红移"就越大。

宇宙中的时间和距离

因为光速是有限的、快速的，但并不是无限快的，所以看到远处的东西意味着我们看到的是它过去的样子。对于遥远的高红移星系，我们看到的是宇宙年轻时的样子。因此，"高红移"对应的是宇宙的早期，而"低红移"对应的是宇宙的晚期。

詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的深场图像显示了宇宙中闪闪发光的星系。这是迄今为止最深、最清晰的遥远宇宙红外图像。这张星系团 SMACS 0723 的图像被称为"韦伯第一深场"，细节丰富。图片来源：NASA、ESA、CSA 和 STScI

但随着天文学家对这些距离的研究，他们了解到宇宙不仅在膨胀，其膨胀速度还在加快。这种膨胀速度甚至比主要理论预测的还要快，这让像我这样的宇宙学家感到困惑，并在寻找新的解释。

加速膨胀与暗能量

科学家把这种加速的源头称为暗能量。我们还不太清楚是什么驱动了暗能量，也不知道它是如何工作的，但我们认为它的行为可以用宇宙学常数来解释。

阿尔伯特-爱因斯坦最初提出了这个常数--他在广义相对论中用 lambda 标记了它。有了宇宙常数，随着宇宙的膨胀，宇宙常数的能量密度保持不变。

想象一个装满粒子的盒子。如果盒子的体积增大，粒子的密度就会减小，因为它们会分散开来占据盒子里的所有空间。现在想象同一个盒子，但随着体积的增大，粒子的密度保持不变。

这似乎并不直观，对吗？宇宙常数的能量密度并没有随着宇宙的膨胀而减少，这当然非常奇怪，但这一特性有助于解释加速膨胀的宇宙。

Lambda CDM： 宇宙学标准模型

目前，宇宙学的主要理论或标准模型被称为"Lambda CDM"。Lambda 表示描述暗能量的宇宙常数，CDM 代表冷暗物质。这个模型既描述了宇宙晚期的加速度，也描述了宇宙早期的膨胀率。

具体来说，Lambda CDM 可以解释宇宙微波背景的观测结果，即宇宙大爆炸后大约 30 万年时宇宙处于"高温、高密度状态"时的微波辐射余辉。利用普朗克卫星测量宇宙微波背景的观测结果，促使科学家们创建了 Lambda CDM 模型。

将 Lambda CDM 模型与宇宙微波背景拟合，物理学家就可以预测哈勃常数的值，哈勃常数实际上并不是一个常数，而是描述宇宙当前膨胀速度的一个测量值。

但是，Lambda CDM 模型并不完美。科学家们通过测量星系距离计算出的膨胀率，与 Lambda CDM 利用宇宙微波背景观测数据描述的膨胀率并不一致。天体物理学家将这种分歧称为哈勃张力。

宇宙膨胀的速度比流行的宇宙学模型预测的要快。资料来源：NASA/WMAP 科学小组

哈勃张力

在过去的几年里，科学家一直在研究如何解释哈勃张力。这种张力可能表明Lambda CDM 模型不完整，物理学家应该修改他们的模型，也可能表明研究人员是时候对宇宙的运行方式提出新的想法了。对于物理学家来说，新想法总是最令人兴奋的。

解释哈勃张力的一种方法是修改Lambda CDM 模型，改变宇宙晚期低红移时的膨胀率。像这样修改模型可以帮助物理学家预测可能是哪种物理现象导致了哈勃张力。

例如，也许暗能量并不是宇宙常数，而是引力以新的方式发挥作用的结果。如果是这样的话，暗能量就会随着宇宙的膨胀而演化--而宇宙微波背景显示的是宇宙诞生几年后的样子，它对哈勃常数的预测就会有所不同。

但是，团队的最新研究发现，物理学家无法仅仅通过改变宇宙晚期的膨胀率来解释哈勃张力--这一类的解决方案都不成立。

探索新模型

为了研究哪些类型的解决方案可以解释哈勃张力，加州大学开发了统计工具，使我们能够测试改变晚期宇宙膨胀率的整类模型的可行性。这些统计工具非常灵活，可以用它们来匹配或模仿不同的模型，这些模型有可能符合宇宙膨胀率的观测结果，也有可能为哈勃张力提供一种解决方案。

测试的模型包括不断演化的暗能量模型，即暗能量在宇宙中不同时期的作用不同，科学家们还测试了暗能量-暗物质相互作用模型（暗能量与暗物质相互作用）和修正引力模型（引力在宇宙中不同时期的作用不同）。

但这些模型都无法完全解释哈勃张力。这些结果表明，物理学家应该研究早期宇宙，以了解张力的来源。

作者：Ryan Keeley，加州大学默塞德分校物理学博士后