“有趣的暗物质”：我们关于宇宙膨胀的理论有些错误 _暗物质

一个被称为Abell 2744系统的合成图像星系团碰撞，被称为潘多拉星团。蓝色是一张根据哈勃太空望远镜、甚大望远镜（VLT）和斯巴鲁望远镜的数据显示总质量浓度（主要是暗物质）的地图。来源：美国国家航空航天局
据《大众科学》（汤姆·霍金）：自20世纪初以来，我们就知道宇宙在膨胀。然而，它究竟以多快的速度扩张，仍然是一个棘手的问题。到目前为止，我们对宇宙的理论理解预测的膨胀率比我们根据实际观测计算的速度慢约8% 。这种差异被称为哈勃张力，其背后的原因是物理学中一个悬而未决的重大问题。
最明显的潜在解释是我们的测量不准确。然而， 12月9日发表在《天体物理学杂志》上的一篇新论文通过将哈勃太空望远镜的数据与詹姆斯·韦伯太空望远镜的新观测结果进行交叉检查，进一步验证了我们现有的观测结果，并发现两者几乎完全一致。
什么是哈勃常数，我们如何测量它？
宇宙膨胀的速率表示为哈勃常数，通常缩写为“H0” 。我们宇宙的一个怪癖是，它的膨胀率随着距离而变化——物体离我们越远，它离我们的速度就越快。为了反映这一事实，常数以千米每秒每兆秒差距（km/s/Mpc）为单位表示，兆秒差距是一个相当于大约30万光年的距离单位。
我们对宇宙最好的理论模型，λ/冷暗物质模型（“∧CDM”），预测H0的值为67-68 km/s/Mpc 。然而，我们的观测结果显示H0约为73 km/s/Mpc 。那么，发生了什么事？
为了理解这一点，我们首先需要了解H0是如何测量的。科学家们通过研究遥远的物体——恒星、星系、超新星——并计算出a）它们有多远，b）它们离我们有多快。
攀登宇宙距离阶梯
第一步是能够计算出遥远物体离我们有多远，而计算宇宙距离很少是一项简单的任务。正如该论文的合著者之一李思扬悲伤地说：“我们的很多工作都涉及到测量星系的距离，这是天文学中非常困难的事情之一。”
李解释说，为了进行这些计算，天文学家使用所谓的“宇宙距离阶梯” 。阶梯从距离地球约1000秒差距内的物体开始，我们可以用简单的三角法计算它们的距离。李说，对于更遥远的物体，“我们真的需要两条信息。一条是视星等：这颗恒星在地球上看起来有多亮？另一条是这颗恒星的固有亮度：它的固有亮度是多少？”
这两个值之间的差异是距离的函数：物体离得越远，它看起来就越暗。（想象一下，从灯发出的光线球体在扩大；如果你靠近灯，许多光线会到达你，但随着你越来越远，越来越多的光线会错过你。）这两个数值与物体的距离之间有一个相对简单的关系，所以如果我们有两条这样的信息，我们可以计算第三条。
这很有用，因为有一些类别的物体——被称为“标准烛光”——都有相同的固有光度。（例子包括1a型超新星，沿着一类被称为造父变星的恒星。）一旦我们确定了一类标准烛光的固有光度——一个被称为校准的过程——我们就可以利用这些信息计算出与距离太远而无法直接计算的类似物体的距离。然后，可以对另一类标准蜡烛重复该过程。
一旦我们知道一个物体有多远，我们需要的第二条信息就是它离我们有多快。随着宇宙的膨胀，来自这些物体的光到达我们的时间越来越长，它的波长被它所穿越的不断膨胀的时空拉伸。这种现象被称为“红移”，如果我们能计算出给定物体的光红移了多少，我们就可以计算出物体远离我们的速度。
计算哈勃常数
一旦我们掌握了这两条信息，哈勃常数的实际确定就相当简单：速度和距离由方程v=H0d联系起来，其中v是速度，d是距离，H0是哈勃常数。
如果我们对大量遥远的物体进行这种测量，我们可以将哈勃常数定为一个更精确的值。当然，要做到这一点，测量结果的正确性至关重要。我们关于遥远天体的大部分信息来自哈勃太空望远镜，该望远镜花了几十年的时间积累数据，詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射为交叉检查这些数据提供了一个受欢迎的机会。
这也为研究开辟了新的可能性，正如该论文的主要作者、2011年诺贝尔物理学奖获得者亚当·里斯（Adam Riess）对哈勃张力的研究所解释的那样：“JWST在近红外波段具有更好的分辨率和灵敏度。哈勃在较蓝的波长上表现更好。哈勃最大的优势是它在那里的时间更长，因此拥有更多的数据，[但]一旦JWST有足够的数据，它可能会超过哈勃——或者它们可能会被联合用于研究[哈勃]张力。”
目前，JWST的结果与现有数据几乎完全相关，提供了更有力的证据，证明问题不在于我们测量的准确性。里斯说，在这种情况下，问题可能在于理论。他说：“如果不能发现测量中的缺陷，模型中出现缺陷的可能性就会越来越大。”
什么是∧CDM模型，为什么它预测了不同的哈勃常数？
顾名思义，∧CDM模型基于两个基本概念：宇宙常数（用希腊字母“∧”表示）和冷暗物质的存在。宇宙常数表示空间本身的内在能量，即目前估计约占宇宙能量68%的神秘“暗能量” 。与此同时，“冷暗物质”代表了我们对同样难以捉摸的暗物质的最佳理解，暗物质占宇宙能量的27% 。（构成恒星、行星和人类的普通老物质只占区区5% 。）
暗能量和暗物质的概念不是任意的——暗物质的存在可以从它对星系自转的影响中推断出来，暗能量是宇宙持续膨胀所必需的。∧CDM模型中的版本反映了这些事实，也与我们对宇宙微波背景的观测相关联，宇宙微波背景是大爆炸的剩余辐射。
Riess说：“基本上， ∧CDM预测了大爆炸后宇宙中物质/温度波动的物理大小。CMB用于测量这些波动的角度大小，并将两者进行比较，从而校准哈勃常数。”
然而，很明显，哈勃望远镜张力持续存在的问题表明，有些事情是不对的。里斯或李是否怀疑问题的根源在哪里？里斯说：“黑暗领域的一些东西。” 。“[要么]有趣的暗能量，要么有趣的暗物质。”
李对此表示赞同，并补充说，他怀疑我们对前者的不完全理解可能是哈勃望远镜张力的根源：“就暗物质本身而言，我们知道它就在那里，我们可以建立模型来预测星系的行为——旋转和类似的东西。但就暗能量而言，有太多的可能性，以至于没有一种确切的替代方案可以完全适用……我们对暗能量知之甚少，我们仍在发现和学习。”