宇宙真的是宇宙学家告诉我们的那样吗？

哈勃太空望远镜拍摄的造父变星。NASA / ESA

宇宙真的是宇宙学家告诉我们的那样吗？近年来人们发现，通过不同方法测得的宇宙膨胀速率（H₀）之间存在着不可忽视的差异。这种差异导致了所谓的“哈勃危机（Hubble tension）”，使得很多人怀疑我们对宇宙的基本认识中存在着错误。

测量宇宙膨胀速率的方法主要有两种。一种是将宇宙大爆炸的余晖——宇宙微波背景辐射，和主流的宇宙演化模型结合起来测算。以这种方法，使用普朗克卫星提供的宇宙微波背景辐射数据，得到的结果是67.4±0.5km/s/Mpc，意为每百万秒差距的空间在每秒之内膨胀67.4千米（包括正负0.5千米的误差）。百万秒差距是天文学空间距离单位，1百万秒差距相当于326万光年。

另一种方法是对地球和宇宙中天体的距离进行测量，对宇宙膨胀的速率进行较为直接的测算。这种方法中最可靠的是利用所谓的“标准烛光（Standard candles）”，以及建立在此基础上的“距离阶梯（cosmic distance ladder）”来测量天体和地球之间的距离。

“标准烛光”指的是宇宙中一些可以通过某种方式，预先知道其绝对光度的特殊天体。由于距离会导致亮度衰减，于是它们和地球之间的距离，就可以通过距离和亮度之间的反比关系来推算。

但是由于恒星演化本身以及宇宙空间的浩瀚所导致的个体差异，“标准烛光”并不永远“标准”。天文学家必须经常对其进行“校准”。所谓校准一方面是要更好地对这类天体进行定义，以使其能够被更准确地识别；另一方面是要找到足够多距离已知的同类天体，以便对它们的绝对光度，也就是“标准烛光”的亮度有更精确的认知。

在所有能够被当成“标准烛光”的天体中，有一种叫“造父变星（Cepheids）”，是被应用得最多的“距离阶梯”，能够对数千万秒差距之内的距离进行测量。“造父变星”作为“标准烛光”，其精度是下一级“距离阶梯”的基础。而这下一级“距离阶梯”即是Ia型超新星。根据Ia型超新星测算出的宇宙膨胀速度是73.0±1.0km/s/Mpc。这一发现获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

但这也使人们发现，两种不同的方法得到的H₀值不一样，存在5.6km/s/Mpc的差异。如果这两种测量方式和过程都没有问题，那么问题就只可能出在我们对宇宙的基本认识上。当然我们也可以看到，天体物理学家对于方法的依赖性有多么强。

最近，以洛桑联邦理工学院物理研究所Richard Anderson为首的一个科研团队，在盖亚探测器提供的数据基础上，通过追踪银河系造父变星是否拥有与周边恒星相同的运动参数，来判断它们是否同属一个星团并确定其与地球的距离，校准它们作为“标准烛光”的精度。

校准结果把误差范围缩小到了±0.9%，使“造父变星”作为“标准烛光”的可靠性得到了提高。与此同时，也将2011年公布的宇宙膨胀速率值精确到了73.0±0.9km/s/Mpc。

新一轮的校准实际上也再次向我们对宇宙的基本认识提出了质疑。在这个问题上，如果用不同测量方法得到的结果始终有差异，那么这样的测量越精确，在基本层面上存在错误的可能性就越大。

宇宙可能并不是我们以为的那个样子。也许我们对暗能量、时空连续体、引力等基本概念的理解都要进行反思。

参考
A 0.9% calibration of the Galactic Cepheid luminosity scale based on Gaia DR3 data of open clusters and Cepheids
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/04/aa44775-22/aa44775-22.html