宇宙学的一场危机：新的数据表明宇宙膨胀的速度比想象的要快

由加州大学戴维斯分校领导的一组天文学家获得了新的数据，表明宇宙膨胀的速度比预期的要快。这项研究紧随着一场关于宇宙膨胀速度的激烈争论而展开；迄今为止，测量结果还存在分歧。该小组对哈勃常数（即宇宙膨胀率）的新测量采用了不同的方法。他们利用美国宇航局的哈勃太空望远镜（HST）和W.M.Keck天文台的自适应光学（AO）系统，观测了三个引力透镜系统，这是首次使用地面ao技术获得哈勃常数。

“20多年前，当我第一次开始研究这个问题时，可用的仪器限制了从观测中获得的有用数据的数量，”共同作者、加州大学戴维斯分校物理学教授克里斯·法斯纳赫特（Chris Fassnacht）说，在这个项目中，我们是第一次使用keck天文台的ao进行全面分析，多年来，我一直认为，AO观测可以为这一努力作出很大贡献。”研究小组的研究结果发表在最新一期的《皇家天文学会月刊》网络版上，为了排除任何偏见，研究小组进行了盲目的分析；在分析过程中，他们甚至对自己隐瞒了最终的答案，直到他们确信已经尽可能多地解决了错误的来源。这使得他们无法做出任何调整以获得“正确”的值，从而避免确认偏差。

“当我们认为我们已经解决了分析中所有可能出现的问题时，我们用一个规则揭示了答案，即我们必须公布我们发现的任何有价值的东西，即使看似不可能的，这总是一个紧张和令人兴奋的时刻，”首席作者geoff chen说，他是加州大学戴维斯分校物理系的研究生，揭示了一个与哈勃常数测量值相一致的值，该测量值来自对靠近地球的“局部”天体的观测，如附近的ia型超新星或引力透镜系统；陈的团队在盲分析中使用了后者。

研究小组的研究结果进一步证明，宇宙学的标准模型存在问题，这表明宇宙在其历史早期膨胀得非常快，然后由于暗物质的引力，膨胀速度减慢，而现在由于暗能量——一种神秘的力量，膨胀速度再次加快。这个宇宙膨胀史模型是用传统的哈勃常数测量法组装而成的，哈勃常数测量取自对宇宙微波背景（CMB）的“遥远”观测——宇宙138亿年前开始时的大爆炸遗留辐射。最近，许多研究小组开始使用不同的技术，研究宇宙的不同部分，以获得哈勃常数，发现从“局部”和“远处”观测得到的值不一致。

Multiple lensed quasar images of HE0435-1223 (left), PG1115+ 080 (center), and RXJ1131-1231 (right). Credit: G. Chen, C. Fassnacht, UC Davis

“这就是宇宙学的危机，”法斯纳赫特说。虽然哈勃常数在给定时间内在空间的任何地方都是常数，但它在时间上不是常数。因此，当我们比较各种技术产生的哈勃常数时，我们比较的是早期宇宙（使用远距离观测）和晚期更现代的宇宙部分（使用局部、附近观测）。”这表明要么CMB测量有问题，小组认为这是不可能的，要么宇宙学的标准模型需要以某种方式改变，使用新的物理学来纠正这种差异。

方法论

利用Keck天文台的AO系统和Keck II望远镜上的近红外照相机、第二代（NIRC2）仪器，陈和他的团队得到了三个著名的透镜类星体系统的局部测量：PG1115+080、HE0435-1223和RXJ1131-1231，类星体是非常明亮、活跃的星系，通常是由巨大的黑洞所驱动的巨大喷气式飞机。尽管类星体通常离我们很远，但天文学家能够通过引力透镜探测到它们，这种现象就像自然界的放大镜，当一个离地球较近的足够大的星系挡住一个非常遥远的类星体发出的光时，该星系可以充当透镜；它的引力场扭曲了空间本身，将背景类星体的光弯曲成多幅图像，使其看起来格外明亮，有时，类星体的亮度会闪烁，由于每幅图像对应的是从类星体到望远镜的路径长度略有不同，因此闪烁出现的时间也略有不同，因为它们并非都是在同一时间到达地球的，使用HE0435-1223、PG1115+080和RXJ1131-1231数据，研究小组仔细测量了这些时间延迟，它们与哈勃常数的值成反比，这使得天文学家能够解码这些遥远的类星体发出的光，并收集到在光到达地球的过程中宇宙膨胀了多少的信息。

“利用引力透镜测量哈勃常数的一个最重要的因素是灵敏和高分辨率的成像，”陈说。到目前为止，最好的基于透镜的哈勃常数测量都涉及到使用HST的数据。当我们解开迷雾时，我们发现了两件事。首先，我们得到了与之前基于hst数据的测量值一致的值，证明ao数据可以在未来提供hst数据的强大替代品。其次，我们发现结合AO和HST数据得出的结果更精确。”

下一步

陈和他的团队以及地球上其他许多组织正在做更多的研究和观察以进一步调查。现在，陈的团队已经证明了keck天文台的ao系统和hst一样强大，天文学家可以在测量哈勃常数时，将这种方法加入他们的技术中。“我们现在可以用更多的透镜类星体系统来尝试这种方法，以提高我们测量哈勃常数的精度。也许这会引导我们找到一个更完整的宇宙模型，”法斯纳赫特说。

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