【原】宇宙膨胀速度有多快？两种方法得到两种结果，第三种方法终于调和

我们都知道宇宙在膨胀，却没人知道宇宙膨胀速度有多快。不同的方法得出不同的结果，让科学家非常尴尬……

哈勃常数与暗能量

（图片说明：最伟大的天文学家之一埃德温·哈勃）

1924年，美国天文学家埃德温·哈勃向世人宣告，他证明了银河系和宇宙不是相同的概念，在银河系外还有大量的河外星系。5年后，在对河外星系的红移进行观测的过程中，哈勃得出了宇宙在膨胀的结论。哈勃还指出：星系远离我们的速度和它们与地球的距离成正比，由此提出了著名的哈勃定律：退行速度=距离*哈勃常数。

时至今日，宇宙膨胀的说法已经深入人心。科学家还因此提出了宇宙大爆炸理论，认为宇宙诞生于138亿年前，并且一直膨胀下去。

（图片说明：宇宙大爆炸）

可是，大爆炸宇宙论刚刚提出的时候，很多科学家提出了质疑：如果宇宙来自于一个奇点，它的体积如此之小，但质量如此之大，那么在大爆炸的一瞬间就会在无限大的引力作用下收缩起来，根本不可能膨胀到今天这么大。

后来，科学家提出了暗能量的说法，指出有一种人类未知的能量，不与任何可见物质发生反应，所以难以被观测。但是，它却可以为宇宙提供斥力，导致宇宙持续膨胀甚至很有可能在加速膨胀。根据标准宇宙模型，可见物质仅仅占了宇宙总质量的4.9%，暗物质占了26.8%，而暗能量占了68.3%。正是在暗能量的作用下，我们的宇宙仍在不断膨胀，丝毫没有停止的迹象。

（图片说明：斯隆数字巡天绘制的星系地图，其中包含120万个星系）

更奇怪的是，当我们用不同的方法测量宇宙膨胀速度的时候，得到的结果竟然也不一样。也就是说，科学家计算的哈勃常数有着较大的差异。那么，问题究竟出在哪里呢？

探测宇宙膨胀速度的方法

目前来说，有两种“工具”经常被用来探测宇宙的膨胀速度，一个是星系的红移，另一个是宇宙微波背景辐射。

• 红移

这其实就是哈勃提出哈勃定律时的方法，也就是说，只要我们观测到遥远星系的距离，然后计算出它们的退行速度，就可以计算出哈勃常数。

（图片说明：哈勃太空望远镜拍摄到NGC 4526星系中超新星1994D的图像）

退行速度不难计算，通过红移值就可以推导；至于星系的距离，科学家通常利用“宇宙标准烛光”——Ia型超新星来计算。这种超新星的特点就是亮度固定，只要看看它们的视觉效果，再和理论上的亮度对比进行换算，就能推导出它的距离，这也是它所在的星系与我们的距离。

• 宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射是20世纪60年代四大天文发现之一，对于今天人类对于宇宙的研究有着重要的意义。我们通常称之为宇宙大爆炸的余辉，因为它就是在宇宙形成初期留下的。由于其温度在3K左右，所以人们又称之为3K背景辐射。

（图片说明：宇宙微波背景辐射）

但是，这个温度并不是绝对一致的。在宇宙的不同位置，这个温度也有着非常微小的变化，而这个波动幅度就是受到了宇宙膨胀速度的影响。通过欧洲航天局的普朗克卫星，我们计算出了宇宙的膨胀速度。

不同结果带来的困惑

原本科学家希望这两种毫不相关的方法得出相同的结果，从而互相验证。然而令人尴尬的是，偏偏结果不遂人意，普朗克卫星给出的哈勃常数是67-68（km/s）/Mpc（Mpc：百万秒差距，约合326万光年），而Ia型超新星观测给出的数据是71-75（km/s）/Mpc。

（图片说明：普朗克卫星）

由于以前的观测不够精确，科学家利用两个方法计算出来的数据范围都非常大，因此二者会有一些重叠。但随着人类观测能力不断提升，两种方法得出的数据越来越精确，竟然偏离了重叠部分，呈现出完全不同的两个结果。这并不是说暗能量的假设是错误的，只是告诉我们：关于暗能量，还有很多我们完全未知的理论等待我们发现。

科学家指出：我们之所以面临这个困境，就在于这两种方法都是基于一些假设或者说理想情况下进行计算的。其中一个，就是科学家假设宇宙是平坦的。爱因斯坦告诉我们，空间并非是完全平坦的，而是在某些特殊情况下会发生扭曲。而普朗克卫星的数据也证明，宇宙中的确有一些区域会发生细微的扭曲。在经过这些区域的时候，Ia型超新星的光也会随着空间的扭曲而出现轻微的偏折，这就有可能导致我们观测数据的偏差。

（图片说明：在把重子声波振荡考虑进去后，哈勃常数的数值比以往更加一致化了）

解决这个问题最好的办法，就是寻找更多测量宇宙膨胀速度的方法来进行验证，让“公平的第三方”来判断谁对谁错。这个第三方，就是重子声波振荡（BAO）。重子声波振荡指的是宇宙形成初期光子和电子、重子等耦合形成一种“等离子体—光子”流体，经过一系列复杂过程导致的物质密度在不同区域的变化，最终形成了宇宙中密集的超星系团和这些超星系团之间巨大的空洞。而这些空洞，可以帮助我们计算哈勃常数。

最近，国外的一支科学团队利用重子声波振荡对一些星系团做了全面的观测，发现了一些有趣的事情。

观测结果显示，宇宙在这些空间上确实是平坦的。既然空洞的结构既取决于暗能量，也取决于空间的整体形状，那么在排除了宇宙曲率的因素之后，剩下的选择自然就是最终的答案。这告诉我们：暗能量确实是存在的，毋庸置疑。而他们利用重子声波振荡计算出来的哈勃常数，为70-74（km/s）/Mpc，这和此前科学家利用Ia型超新星计算的结果高度一致。

这不是说普朗克卫星的结果就是错误的，这次发现的有趣之处正在于此：刚才的那个数据来自于红移值z<2的星系，也就是距离我们不足90亿光年的那些星系。当他们对更加遥远的星系进行观测和计算的时候，哈勃常数就变成了68-70(km/s)/Mpc，与普朗克卫星给出的结果差别极小。

这对于我们来说是个好消息，这意味着暗能量的理论仍然成立，我们不需要建立新的理论。只不过，我们对于暗能量、对于宇宙膨胀的理解还远远不够。不论是暗能量还是宇宙的膨胀，说到底都指向着宇宙最终的命运。宇宙到底会永远膨胀下去，还是会有一天开始收缩，还要等待科学家们进一步的研究和发现了。