詹姆斯·韋伯望遠鏡新觀測結果證實我們對宇宙的理解存在嚴重錯誤

天文學家們利用詹姆斯·韋伯和哈勃太空望遠鏡,確認了物理學中最讓人困擾的難題之一——宇宙的膨脹速度似乎取決於我們觀察的位置而呈現出令人困惑的不同速度。

這個問題,被稱爲哈勃張力,有可能改變甚至徹底顛覆宇宙學。2019年,哈勃太空望遠鏡的測量結果證實了這一謎題是真實存在的;到了2023年,來自詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)的更爲精確的測量結果進一步鞏固了這一差異。

現在,兩臺望遠鏡共同進行的三重檢查似乎一勞永逸地排除了任何測量誤差的可能性。這項研究於2月6日發表在《天體物理學雜誌通訊》上,表明我們的宇宙理解可能存在嚴重的問題。"當測量誤差被排除後,剩下的就是一個真實且激動人心的可能性,即我們對宇宙的理解出現了誤解。"

這個難題的癥結到底何在?讓我們一起深入探討這個令人困惑的宇宙之謎。

目前,有兩種"金標準"方法可以計算出哈勃常數,這是一個描述宇宙膨脹速率的值。

第一種方法涉及仔細研究宇宙微波背景(CMB)中的微小波動——這是宇宙首次發出的光的古老遺蹟,產生於大爆炸後的380,000年。在2009年至2013年間,天文學家們使用歐洲航天局的普朗克衛星繪製了這種微波模糊圖像,推斷出哈勃常數大約爲每百萬光年46,200英里/小時,或大約每秒67公里/百萬秒差距(km/s/Mpc)。

第二種方法使用被稱爲脈動變星的恆星。脈動變星是垂死恆星,它們的外層氦氣層隨着吸收和釋放恆星的輻射而膨脹和收縮,使它們像遠處的信號燈一樣週期性地閃爍。

隨着脈動變星變得更亮,它們的脈動變得更慢,這爲天文學家提供了一種測量它們絕對亮度的方法。通過將這種亮度與觀測到的亮度進行比較,天文學家可以將脈動變星串聯成一個"宇宙距離階梯",以便更深入地觀察宇宙的過去。有了這個階梯,天文學家可以通過脈動變星光的拉伸或紅移來找到宇宙膨脹的精確數字。

宇宙距離階梯是一種用於測量宇宙中天體距離的方法，它通過一系列相互關聯的距離測量技術構成，每一級技術爲更遠的天體距離的測量提供基礎。這個概念的目的是建立一個可靠的距離尺度，從而能夠測量從地球到太陽系內其他天體、恆星、銀河系內和銀河系外星系的距離。

宇宙距離階梯的建立起始於對近距離天體的直接測量，例如使用視差方法測量太陽系內天體的距離。通過這種方式，我們可以算出太陽系裡的物體離我們有多遠。這種方法利用地球在繞太陽公轉時產生的視差角度來計算距離。隨着距離的增加，天文學家使用其他技術，如主序擬合和變星（例如造父變星和Ia型超新星）作爲“標準燭光”，通過它們的亮度和觀測到的視星等來估計距離。

對於更遙遠的星系，天文學家使用紅移和哈勃關係來測量距離。哈勃關係描述了星系的紅移與它們離我們的速度成正比的關係，這基於宇宙膨脹的理論。通過這些方法，科學家可以構建一個從近到遠的距離尺度，從而測量宇宙中各種尺度的距離。

但這就是謎團開始的地方。根據里斯及其同事通過脈動變星測量的結果,宇宙的膨脹速率約爲每秒74公里/百萬秒差距:與普朗克的測量結果相比,這是一個難以置信的高值。宇宙學被推向了未知領域。

"我們不會稱之爲張力或問題,而是一個危機,"諾貝爾獎得主、天文學家大衛·格羅斯在2019年加州卡夫利理論物理研究所(KITP)的一個會議上說。

這個被稱爲"哈勃張力"的問題,一度被認爲可能源於測量誤差。最初,一些科學家認爲,這種差異可能是由於哈勃望遠鏡光圈中脈動變星與其他恆星混合造成的測量誤差。

但在2023年,研究人員使用更精確的JWST確認了,在宇宙距離階梯的前幾"級"中,他們的哈勃測量結果是正確的。儘管如此,宇宙過去的更深處擁擠的可能性仍然存在。爲了解決這個問題,里斯及其同事在他們之前的測量基礎上,觀測了五個宿主星系中1000多顆脈動變星,這些星系距離地球高達1.3億光年。在將他們的數據與哈勃的數據進行比較後,天文學家確認了他們過去的哈勃常數測量結果。

"現在我們已經覆蓋了哈勃觀測到的所有範圍,我們可以非常有信心地排除測量誤差作爲哈勃張力的原因,"里斯說。"結合韋伯和哈勃的優勢,我們發現隨着我們沿着宇宙距離階梯更遠地攀爬,哈勃測量結果依然可靠。"

換句話說:宇宙學核心的張力問題將會持續存在。

那麼,究竟是什麼原因導致了這種不可思議的差異呢?科學家們提出了幾種可能的解釋:

1. 新物理定律:一種可能是我們對宇宙膨脹機制的理解存在缺陷。也許目前的標準宇宙模型並不完整,需要引入新的物理定律來解釋這種差異。

2. 暗物質和暗能量分佈的複雜性:宇宙中充斥着大量我們無法直接觀測的暗物質和暗能量。它們的分佈可能比我們想象的更加複雜,從而影響了不同區域的膨脹速度。

3. 測量技術的侷限性:儘管已排除了明顯的測量誤差,但我們現有的觀測手段仍可能存在一些細微的不確定性。進一步提高觀測精度或許能幫助我們解決這一難題。

無論最終的原因是什麼,這個"哈勃張力"問題都將對我們對宇宙的認知產生深遠的影響。

首先,它可能要求我們重新審視和修正宇宙學的標準模型。如果這一差異確實反映了宇宙膨脹速度的真實情況,那麼我們就必須做出改變,以更好地解釋宇宙的演化過程。這可能意味着引入全新的物理理論,或者是對暗物質和暗能量的理解發生重大修正。

其次,這個問題也可能對我們測量宇宙距離的方法產生影響。如果宇宙的膨脹速度在不同區域存在差異,那麼我們就必須重新校正用於測量宇宙距離的"標準蠟燭"。這將影響我們對宇宙尺度和結構的認知。

最後,這一發現還可能對我們理解宇宙早期歷史和演化產生重大影響。如果膨脹速度存在差異,那麼宇宙的熱演化、結構形成以及暗物質和暗能量的分佈都可能與我們當前的認知不符。這將是一個巨大的挑戰,需要我們重新思考宇宙的形成和演化過程。

面對這一宇宙之謎,天文學家們正在制定新的探索計劃。

未來,更先進的望遠鏡和航天器將爲我們提供更精確的觀測數據。例如,歐洲航天局正在計劃發射一顆名爲"Euclid"的太空望遠鏡,它可以更精細地測量宇宙中遙遠galaxies的紅移,從而更好地確定宇宙膨脹的速度。

此外,天文學家們還計劃利用其他獨特的測量方法,如引力透鏡和引力波探測,來進一步驗證和解決這一難題。通過多種觀測手段的交叉驗證,我們有望最終找到一個令人信服的解釋。

無論最終結果如何,這一"哈勃張力"的發現無疑都將推動我們對宇宙的認知向前發展。它可能會顛覆我們現有的宇宙學理論,引發新的物理定律,甚至改變我們對宇宙起源和演化的理解。

我們正處於一個令人興奮的時刻。隨着科技的不斷進步,我們有望在不久的將來解開這一宇宙之謎,並獲得更深入、更全面的宇宙觀。讓我們一起期待着這一嶄新的發現,它可能會帶來宇宙學的革命性進展。