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宇宙的膨胀速度究竟有多快？

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将近一个世纪以来，我们一直都知道宇宙正在膨胀。

早在1929年的时候，埃德温·哈勃基于亨丽爱塔·勒维特和其他人的工作，发现星系正在远离我们。自那之后，我们想出了一系列方法来测量宇宙的膨胀率。这些方法得出的结果都有一点差异，因此我们至今仍然不知道宇宙究竟膨胀的有多快。

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宇宙的膨胀速度究竟有多快？

△ 图1：关于埃德温·哈勃

想要知道宇宙的膨胀速度，我们只要测量一个物理参数，即“哈勃常数”。哈勃常数越大，就代表宇宙的膨胀率越大。知道了哈勃常数的值，也就知道了宇宙年龄。如果你不断地往过去追溯，宇宙最终会达到一个炽热和致密的点，即大爆炸开始的时候。

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宇宙的膨胀速度究竟有多快？

△ 图2： 膨胀宇宙的历史：当我们往回追溯的时候，最终会发现宇宙有一个开端。

在宇宙之中，有一种特别的变星叫造父变星，它的光变周期与它的光度成正比，因此可用于测量星系的距离。哈勃通过测量造父变星的亮度得出星系的距离，并结合维斯托·斯里弗的星系红移资料，他得出了星系的距离和红移的粗略关系。他发现，距离越远的星系，红移越大，因此推测那些星系的退行速率越高。

哈勃最初的计算得出哈勃常数大约为500千米/（秒·百万秒差距），但这个值直接导致了宇宙学危机。如果哈勃测量的值是对的，那么宇宙的年龄只有20亿年，而地质证据显示地球的年龄大约为40多亿年。地球怎么可能比宇宙存在的时间还久？

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宇宙的膨胀速度究竟有多快？

△ 图3：通过三个步骤，天文学家以前所未有的精确度测量了哈勃常数。

当然，在那个时候我们对距离的测量精确度远不如今天。现在，我们对哈勃常数的测量已经越来越精确，这个值被确定在70千米/（秒·百万秒差距）左右，因此宇宙的年龄为140亿年左右。

天文学家发展了不同的方法，利用不同的数据类型来计算哈勃常数，它们都得出类似的结果。这意味着我们确信宇宙正在膨胀，并且我们能够计算它的膨胀速度。但是，虽然这些不同的方法得出的值大致上都吻合，但并不是完全一致的。

过去我们认为，只要我们不断地改善测量并进一步减少误差，这个差异就会消失。但事实上却揭露了一个新的问题：不同的测量方法给出了不同的膨胀率。这就说明我们对宇宙膨胀的理解或许有误。

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宇宙的膨胀速度究竟有多快？

△ 图4：宇宙距离尺度（红色）测量的哈勃常数与CMB（绿色）和BAO（蓝色）测量的值存在着差异。

在2016年，诺贝尔物理学得主 Adam Riess 领导的一个小组利用哈勃太空望远镜对19个星系中的造父变星和Ia型超新星做出了精确地测量，他们取得了前所未有的精度（不确定性降到了2.4%），得出哈勃常数为73.23 ± 1.74千米/（秒·百万秒差距）。

（你知道为什么哈勃踏空望远镜要以“哈勃”命名吗？也许你会以为是为了纪念埃德温·哈勃，但其实主要的原因是因为哈勃太空望远镜的主要任务是测量哈勃常数。）

另一种方法是跟微波背景辐射（CMB）的起伏有关。CMB是大爆炸遗留下来的热辐射，虽然在整体上CMB的温度几乎是均匀的，但在小尺度上温度有着微小的起伏。当宇宙逐渐膨胀，这些起伏会被拉伸。在图5你所看到的起伏峰值决定了宇宙的膨胀率，也就可以得到哈勃常数。对 CMB 最精确的测量时来自普朗克卫星，测得的值为 66.93 ± 0.62 千米/（秒·百万秒差距）。另一方面史隆数字巡天（SDSS）和其它项目对大尺度星系团（重子声学振荡，BAO）的测量给出的值为 67.6 ± 0.7 千米/（秒·百万秒差距）。 CMB和BAO测量的哈勃常数相一致。

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宇宙的膨胀速度究竟有多快？

△ 图5：CMB在不同尺度下的温度起伏。

不同的方法得出的结果不吻合说明现有的宇宙模型似乎有问题。我们现在的宇宙学模型称为LCDM模型，包括普通物质、暗物质和暗能量。尽管这些测量结果都是非常精确地，但它们都依赖于一些特定的假设。

而现在，天文学家利用一种新的方法来测量哈勃常数，其结果引起了热烈的讨论。

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宇宙的膨胀速度究竟有多快？

△ 图6：遥远的背景星系发出的光线在经过离我们较近的星系时，光线会被弯曲，这会导致我们看到多个影像。

这个测量哈勃常数的新途径是通过叫引力透镜的效应。科学家观测了五个遥远的类星体。在每个类星体和地球之间是一个大质量的星系。当光线经过大质量星系时，星系就像透镜一样，经过的光线会被弯曲。因此，我们不会只看到一个遥远类星体的图像，而是多个图像（见图6、7）。

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宇宙的膨胀速度究竟有多快？

△ 图7：引力透镜效应。

由于这些大质量星系的质量不是均匀分布的，因此光线经过它们时弯曲的程度也不同。所以，遥远类星体的光线到达地球的时间也会因为经过不同的路径而不同。也就是说有一些类星体的影像会更快的到达我们的视线，有一些则较慢。我们已经在遥远的超新星上看到这样效应，这使我们能够看到一个超新星在几十年时间里的多次“即时回放”。

与此同时，类星体的亮度也会发生变化，在不同的时间点上，其影像会发生不同的闪烁，这种闪烁的间隔与光线行进的距离有关。由于光线传播的时间依赖于宇宙膨胀的速度，科学家通过测量闪烁的间隔就可以计算哈勃常数。

这里的关键在于这种方法不受模型的其它参数所影响，比如普通物质和暗物质的总量。这是一种更直接的测量，因此不依赖于模型的假设。最终给出的哈勃常数为71.9 ± 2.7 千米/（秒·百万秒差距）。

这一结果与天文学家利用造父变星和Ia型超新星测得的值一致，但与CMB的结果有较大的差异。由于这个最新数值较少依赖于模型，这就使我们对现在宇宙学模型产生疑问。为什么 CMB 和 BAO 的测量数值要比其它的低？我们还不知道答案，虽然这一最新结果令人惊喜，但也没有解决哈勃常数的谜题。

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