宇宙学危机：不识宇宙真面目，只因身在此中？

宇宙学“危机”：不同测量方法得到不一样的结果，究竟缺少了什么？

哈勃太空望远镜和地面望远镜复合视角观测到的蟹状星云。该星云是在1054年发现的一颗明亮的超新星的余波。(图片来源：NASA、ESA、NRAO/AUI/NSF和G.Dubner（布宜诺斯艾利斯大学）)

保罗·M·萨特是纽约州立大学石溪分校和Flatiron研究所的天体物理学家，《问太空人》和《太空电台》的主持人，《如何在太空中死去》的作者。萨特为Space.com的《专家之声:视野与见解》撰写了本文。

你可能听说过“宇宙学危机”：用不同的方法测量宇宙年龄得到了了不同的结果，而宇宙学家却不知道为什么。

作为一名天体物理学家，以及一名宇宙学家，我对这个所谓的危机有自己的看法。

但首先，让我们看看问题是什么。

在一个角落：宇宙微波背景

要测量宇宙的年龄，你必须了解它的膨胀历史。为了知道膨胀历史，你需要做一些数学建模。数学模型在科学中很常见（事实上，它基本上就是科学），而在整个宇宙的情况下，数学模型就是爱因斯坦的广义相对论。

当你将广义相对论应用于整个宇宙时，你会得到弗里德曼方程，一组方程将宇宙的内容——比如，暗物质、暗能量、辐射和其他任何物质的相对数量——与当时的膨胀速率联系起来。

所以，测量这些东西，就得到年龄。

测量宇宙中有多少物质的最好方法是通过宇宙微波背景辐射(CMB)，宇宙只有38万岁时留下的光。由于欧洲航天局的普朗克任务等成果，我们拥有精美的宇宙微波背景辐射地图，这些地图为我们提供了对宇宙组成极其详细的分类表。

CMB地图没有给我们暗能量的量。在宇宙微波背景辐射产生的时候，暗能量并不是什么东西，所以在我们的建模中，我们必须使用其他观测结果，手动增加暗能量。但一旦你这样做了，你就可以把所有的东西都插入弗里德曼方程中，得到任何时间点（包括今天）的膨胀率，然后从那里决定宇宙的年龄。

在另一个角落：超新星

虽然这是对宇宙内容的一种极其可靠的解释，但它并不是直接的；它是在数十亿年前创造的。另一种测量宇宙膨胀率的方法是……测量宇宙的膨胀速率。

一种方法是通过Ia型超新星，这是一种恒星爆炸，其中一颗恒星将其大气层泄漏到邻近的白矮星上，这是一颗死亡恒星的致密遗迹。一旦达到临界值，白矮星就会膨胀，我们就会得到一颗超新星。

因为整个宇宙的情况差不多，我们可以使用超新星作为标准烛光。换句话说，我们知道它们应该有多亮，我们可以把它和它们看起来的亮度进行比较。然后，我们可以用这些信息来估计超新星出现时宇宙的膨胀速率。

天文学家在20世纪90年代末使用这种方法发现了暗能量，从那时起，它就一直是宇宙学测量的基石。这是一种方便的技术，因为它可以让我们测量附近宇宙的膨胀速率（这叫做哈勃常数，即使它真的不是常数——但那是另一个故事）。也就是说，它是相当有限的；我们并没有很多超新星，我们可以用它们来观察更遥远的宇宙。

战斗！

在天文学家发现暗能量以来的20年里，我们遇到了一个小问题：从宇宙微波背景辐射和超新星测量宇宙膨胀速率（以及宇宙的年龄）变得越来越精确，但他们开始产生分歧。我们讨论的不多；在估计宇宙的137.7亿历史时，这两种方法只间隔了1000万年或2000万年。但值得一提的是我们的操作精度水平如此之高。

解决这个问题的一种方法是说我们对宇宙微波背景辐射的测量是有缺陷的。但普朗克宇宙微波背景辐射的测量是科学领域史上最精确的测量，自2013年首次数据发布以来的多年里，多次测试和检查只巩固了计算结果。

但因为我们需要手动将CMB数据中添加暗能量，也许我们的模型缺少了一些关于这种力的东西。无论如何这也是一个巨大的谜团，它并不疯狂。也许暗能量随时间而变化，或者与暗物质有关，或者与其他东西有关。特别是，这种可以选择的东西让理论家们忙着写一篇又一篇论文，探索诱人的可能性。

最后，也许超新星的测量值有点偏差。当然，它们是得到当前扩张率的一条更直接的途径，但并非万无一失。恒星爆炸有些复杂，如果我们不能完全理解物理学的混乱，我们就不能用超新星作为精确的宇宙学探测器。要想消除整个危机，对超新星进行建模时，只需要一点不确定性，整个危机就会消失。

就我个人而言，我认为我们对超新星的理解并不像我们认为的那样多——我这么说不仅仅是因为我是普朗克任务的一员，并在宇宙微波背景辐射的分析中提供帮助。“危机”是继续写论文的一个好借口，因为20多年来，我们一直被暗能量所困扰，做了很多工作，却没有太多理解。从某种意义上说，许多宇宙学家希望让危机继续下去，因为只要危机存在，他们除了倒计时下一个重大任务的年份之外，还有一些事情可以谈论。

如果这很有趣，那可能是错的。解决危机最无聊的方法是承认超新星并不像我们希望的那样能够实现对膨胀率的探测。但这不会产生像危机那样多的论文，我们的宇宙学会议也将不会那么有趣。因此，但至少目前而言，危机还将继续下去。

这份报告没有具体说明新数据是何时获得的，但指出了这些观测是在天文学家注意到银河系中一颗极其罕见的双超新星之后进行的。当一颗相对较大的恒星耗尽燃料并爆炸，将物质抛向周围时，就会产生超新星。

BY: Paul Sutter

FY: 梦中识月

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