宇宙膨胀的速度比理论预测的要快——物理学家正在寻找新的想法来解释这种不匹配

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詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的遥远星系。(图片来源:美国国家航空航天局、欧空局、加空局和STScI)

（）据美国太空网（瑞安·基利）：本文原载于对话会。该出版物向Space.com的“专家之声:专栏和见解”投稿。

Ryan Keeley是加州大学默塞德分校的物理学博士后学者。

天文学家几十年前就知道宇宙正在膨胀。当他们用望远镜观察遥远的星系时，他们看到这些星系正在远离地球。

对天文学家来说，星系离我们越远，它发出的光的波长就越长。星系离得越远，它的光就越向光谱红色一侧的更长波长偏移——因此“红移”越高。

因为光速是有限的，很快，但不是无限快，看到远处的东西意味着我们在看它过去的样子。对于遥远的高红移星系，我们看到的是宇宙处于年轻状态时的星系。所以“高红移”对应宇宙早期，“低红移”对应宇宙晚期。

但是随着天文学家对这些距离的研究，他们发现宇宙不仅仅是在膨胀——它的膨胀速度正在加快。这个膨胀速度甚至比主流理论预测的还要快，让像我这样的宇宙学家感到困惑，并寻找新的解释。

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暗能量和宇宙常数

科学家称这种加速的来源为暗能量。我们不太确定是什么驱动了暗能量，或者它是如何工作的，但我们认为它的行为可以用宇宙常数来解释，宇宙常数是时空的一个属性，有助于宇宙的膨胀。

阿尔伯特·爱因斯坦最初提出了这个常数——他在他的广义相对论中用λ标记它。有了宇宙常数，随着宇宙膨胀，宇宙常数的能量密度保持不变。

想象一个装满粒子的盒子。如果盒子的体积增加，粒子的密度就会降低，因为它们会散开占据盒子的所有空间。现在想象同样的盒子，但是随着体积的增加，粒子的密度保持不变。

好像不太直观吧？宇宙常数的能量密度不会随着宇宙的膨胀而降低，这当然非常奇怪，但是这个性质有助于解释加速膨胀的宇宙。

宇宙学的标准模型

现在，宇宙学的主导理论或标准模型被称为“CDM”。Lambda表示描述暗能量的宇宙常数，CDM代表冷暗物质。这个模型描述了宇宙后期的加速以及早期的膨胀速率。

具体来说，Lambda CDM解释了对宇宙微波背景的观察，宇宙微波背景是宇宙在大爆炸后约30万年处于“炎热、致密状态”时微波辐射的余辉。使用测量宇宙微波背景的普朗克卫星进行的观察，使科学家们创建了Lambda CDM模型。

将Lambda CDM模型拟合到宇宙微波背景中，物理学家可以预测哈勃常数的值，哈勃常数实际上不是一个常数，而是描述宇宙当前膨胀率的测量值。

但是Lambda CDM模型并不完美。科学家通过测量到星系的距离计算出的膨胀率，与Lambda CDM中描述的使用宇宙微波背景的观测结果的膨胀率并不一致。天体物理学家称这种分歧为哈勃张力。



宇宙膨胀的速度比流行的宇宙学模型预测的要快。(图片鸣谢:美国国家航空航天局)

哈勃张力

在过去的几年里，我一直在研究如何解释这种哈勃张力。这种紧张可能表明Lambda CDM模型是不完整的，物理学家应该修改他们的模型，或者它可能表明研究人员是时候提出关于宇宙如何工作的新想法了。对于物理学家来说，新想法总是最令人兴奋的事情。

解释哈伯张力的一个方法是，在宇宙的晚期，藉由改变低红移下的膨胀率，来修正兰姆达CDM模型。像这样修改模型可以帮助物理学家预测什么样的物理现象可能导致哈勃张力。

例如，也许暗能量不是一个宇宙常数，而是引力以新的方式发挥作用的结果。如果是这样的话，暗能量将随着宇宙的膨胀而演化——而宇宙微波背景(它显示了宇宙在诞生后几年的样子)将对哈勃常数有不同的预测。

但是，我的团队的最新研究发现，物理学家不能仅仅通过改变宇宙后期的膨胀率来解释哈勃张力——这一整类解决方案都存在不足。

为了研究什么类型的解决方案可以解释哈勃张力，我们开发了统计工具，使我们能够测试改变宇宙后期膨胀率的整个模型类别的可行性。这些统计工具非常灵活，我们用它们来匹配或模拟不同的模型，这些模型可能符合对宇宙膨胀率的观察，并可能为哈勃张力提供一个解决方案。

我们测试的模型包括进化的暗能量模型，暗能量在宇宙的不同时间有不同的作用。我们还测试了相互作用的暗能量-暗物质模型，其中暗能量与暗物质相互作用，以及修改的重力模型，其中重力在宇宙中的不同时间有不同的作用。

但是这些都不能完全解释哈勃的张力。这些结果表明，物理学家应该研究早期宇宙，以了解张力的来源。

这篇文章是在知识共享许可下转载自《对话》。