宇宙的年齡對(duì)人類來(lái)說(shuō)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，一項(xiàng)最新研究認(rèn)為宇宙的年齡約為125億年，比曾經(jīng)公認(rèn)的138億年年輕13億年。兩個(gè)數(shù)據(jù)的差異也許說(shuō)明我們目前對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)仍然非常粗淺。

南方周末特約撰稿 鞠強(qiáng)

在人類認(rèn)識(shí)宇宙的過(guò)程中，確定宇宙的年齡也許是一項(xiàng)值得驕傲的成就?？茖W(xué)家手邊并沒(méi)有現(xiàn)成的“宇宙鐘”來(lái)指示時(shí)間，他們只能去尋找?guī)в杏钪婺挲g信息的蛛絲馬跡。目前科學(xué)家估算出宇宙的年齡為138億年左右，這個(gè)公認(rèn)的結(jié)果也已經(jīng)廣為人知。但是一項(xiàng)最新研究卻動(dòng)搖了這個(gè)結(jié)論，該研究認(rèn)為宇宙可能要比我們?cè)?jīng)認(rèn)為的“年輕”13億年。

這項(xiàng)研究由供職于美國(guó)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)中心（STScI）和約翰霍普金斯大學(xué)的天體物理學(xué)家、2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）領(lǐng)導(dǎo)。他的團(tuán)隊(duì)于2019年5月在《天體物理學(xué)雜志》（TheAstrophysical Journal）上發(fā)表論文，宣布他們通過(guò)使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出宇宙膨脹的速度比此前的估計(jì)要快9%。由此導(dǎo)致根據(jù)宇宙膨脹速度計(jì)算出的宇宙年齡也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最新估算的宇宙年齡為125億年。

不過(guò)，里斯等科學(xué)家同時(shí)指出，兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的差異也許說(shuō)明了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)仍然非常粗淺，還需要進(jìn)一步的研究才能正確理解兩個(gè)值的意義，從而找到洞察宇宙的關(guān)鍵拼圖。

加速膨脹的宇宙

在里斯領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究中，他們并不是找到了一種特殊的“鐘表”可以去直接測(cè)量宇宙的年齡，而是通過(guò)對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量來(lái)間接推算宇宙的年齡。因此，精確測(cè)量哈勃常數(shù)是正確估算宇宙年齡的關(guān)鍵。

哈勃常數(shù)以美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名。1929年，哈勃在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表了一篇論文，宣布他發(fā)現(xiàn)星系距離地球越遠(yuǎn)，退行速度越快，即退行速度與距離成正比。這個(gè)規(guī)律后來(lái)被稱作哈勃定律，比例中的比值即為哈勃常數(shù)（H），哈勃當(dāng)時(shí)給出的比值為500。此后的研究證明，哈勃大大高估了這個(gè)數(shù)值。從這個(gè)規(guī)律出發(fā)，當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家歸納出宇宙在膨脹的結(jié)論。

20世紀(jì)40年代后期，喬治·伽莫夫（George Gamow）等人發(fā)展出宇宙大爆炸理論。20世紀(jì)60年代宇宙微波背景輻射被證實(shí)之后，宇宙從大爆炸開(kāi)始經(jīng)過(guò)膨脹演化到今天，成為宇宙學(xué)的主流觀點(diǎn)。但是宇宙的膨脹究竟是加速、減速還是勻速進(jìn)行，當(dāng)時(shí)卻沒(méi)有確定的結(jié)論，而這直接影響宇宙未來(lái)的命運(yùn)。

20世紀(jì)80年代末90年代初，由索爾·珀?duì)栺R特（Saul Perlmutter）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組以及由布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和里斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組分別開(kāi)始對(duì)遙遠(yuǎn)的Ia型超新星進(jìn)行觀測(cè)，以期探究宇宙膨脹的性質(zhì)。這些超新星可以作為測(cè)量宇宙中的距離的“標(biāo)尺”，而精確測(cè)距是回答宇宙如何膨脹的前提。1998年，兩個(gè)小組獨(dú)立發(fā)表了研究成果，均支持宇宙在加速膨脹的結(jié)論。2011年，三人因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。同時(shí)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)直接引發(fā)了對(duì)何種力量推動(dòng)宇宙加速膨脹的討論，導(dǎo)致科學(xué)家提出占宇宙組成70%的“暗能量”以解釋這種現(xiàn)象。

更加精確的測(cè)量

在研究宇宙膨脹時(shí)，里斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)就使用了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)Ia型超新星進(jìn)行觀測(cè)。這些超新星距離地球非常遙遠(yuǎn)，甚至達(dá)到100億光年以上，因此需要強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡才能進(jìn)行觀測(cè)，而于1990年發(fā)射升空的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡恰好能夠滿足觀測(cè)的需要。

在發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹之后，里斯于1999年從加州大學(xué)伯克利分校來(lái)到目前所在的機(jī)構(gòu)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)對(duì)宇宙膨脹的速率進(jìn)行研究。從2005年開(kāi)始，他帶領(lǐng)一個(gè)名為SH0ES的團(tuán)隊(duì)使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)測(cè)量距離的方法進(jìn)行改進(jìn)，從而對(duì)哈勃常數(shù)的值進(jìn)行優(yōu)化。

擺在他和團(tuán)隊(duì)面前的難題仍是如何精確測(cè)量宇宙中的距離，從而計(jì)算出哈勃常數(shù)，這一次他們使用的“宇宙標(biāo)尺”是造父變星。這類恒星的亮度隨時(shí)間呈周期性變化，天文學(xué)家可以根據(jù)這種變化關(guān)系確定它們所在的星系與地球之間的距離。天文學(xué)家使用造父變星作為“標(biāo)尺”來(lái)測(cè)量宇宙中的距離已經(jīng)有一個(gè)世紀(jì)的歷史，但是測(cè)量造父變星是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，對(duì)大量造父變星進(jìn)行測(cè)量就更加困難。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，里斯的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新辦法，稱作DASH（Drift AndShift）。他們把哈勃望遠(yuǎn)鏡當(dāng)作一臺(tái)傻瓜相機(jī)，來(lái)給特別明亮的造父變星拍攝快照。這樣做的好處是不需要花費(fèi)時(shí)間來(lái)對(duì)造父變星進(jìn)行精確定向。研究團(tuán)隊(duì)中的科學(xué)家斯特法諾·卡塞爾塔諾（Stefano Casertano）在一篇發(fā)表于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）官網(wǎng)上的報(bào)道中表示，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡環(huán)繞地球一周需要90分鐘，當(dāng)它鎖定造父變星進(jìn)行精確定向時(shí)，它在一個(gè)周期內(nèi)只能觀測(cè)一顆造父變星。因此，他們改變策略，尋找彼此之間距離足夠近的一組造父變星，這樣在對(duì)它們進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)候，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就不需要再校準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡的指向。這些造父變星非常明亮，天文學(xué)家只需要觀測(cè)2秒鐘。這樣一來(lái)在望遠(yuǎn)鏡環(huán)繞地球運(yùn)行的每個(gè)周期內(nèi)，他們通過(guò)陀螺儀控制好望遠(yuǎn)鏡的指向，就可以觀測(cè)十幾顆造父變星。

與此同時(shí)，一個(gè)由來(lái)自智利、美國(guó)和歐洲的研究機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行一項(xiàng)名為“南洋杉計(jì)劃”（Araucaria Project）的觀測(cè)項(xiàng)目，他們希望對(duì)宇宙中的距離進(jìn)行精確測(cè)量和修正。2019年3月，其中一個(gè)由來(lái)自波蘭科學(xué)院哥白尼天文學(xué)中心教授格雷戈日·皮特任斯基（Grzegorz Pietrzyński）領(lǐng)導(dǎo)的小組在《自然》（Nature）上發(fā)表論文，宣布他們對(duì)地球與大麥哲倫云之間距離的最新測(cè)量值為大約161000光年，測(cè)量不確定度為1%。

里斯的團(tuán)隊(duì)將這個(gè)結(jié)果與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果結(jié)合起來(lái)，可以對(duì)造父變星的真實(shí)亮度進(jìn)行校準(zhǔn)。在這次發(fā)表的論文中，他們公布了對(duì)大麥哲倫云中的70顆造父變星的觀測(cè)結(jié)果。以此為基礎(chǔ)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)給出的哈勃常數(shù)的值為74km/s/Mpc。其中Mpc為百萬(wàn)秒差距，是天文學(xué)家在宇宙尺度上使用的距離單位，1Mpc相當(dāng)于大約330萬(wàn)光年。74km/s/Mpc這個(gè)結(jié)果表示的意思是，星系同我們之間的距離每多出330萬(wàn)光年，這個(gè)星系遠(yuǎn)離我們的速度就要快出每秒74千米。

2018年7月，里斯團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)根據(jù)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和歐洲空間局（ESA）的蓋亞太空天文臺(tái)（Gaia）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，將哈勃常數(shù)的測(cè)量不確定度降低到2.2%。這一次，他們更進(jìn)一步，將測(cè)量不確定度降到1.9%，這也是迄今為止最為精確的測(cè)量。

差異從何而來(lái)

但是，隨著這個(gè)團(tuán)隊(duì)測(cè)量的精確度不斷提高，他們對(duì)哈勃常數(shù)的計(jì)算值與通過(guò)對(duì)早期宇宙膨脹的觀測(cè)而得來(lái)的預(yù)期值仍然存在明顯的差異，而后者的觀測(cè)是由歐洲空間局的普朗克衛(wèi)星（Planck satellite）完成的。它能夠?qū)τ钪嫖⒉ū尘拜椛溥M(jìn)行精確測(cè)量，也就是可以追溯宇宙大爆炸發(fā)生38萬(wàn)年后的宇宙。

宇宙微波背景輻射是支持大爆炸理論的關(guān)鍵證據(jù)，其中蘊(yùn)含著關(guān)于宇宙起源和演化的重要信息，因此自從被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就是天文學(xué)家研究的熱點(diǎn)。1989年，NASA的“宇宙背景探索者”衛(wèi)星（Cosmic Background Explorer，COBE）發(fā)射升空。這個(gè)由約翰·馬瑟（John Mather）和喬治·斯穆特（George Smoot）領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目幫助人類第一次精確測(cè)量了微波背景輻射譜，二人也因“對(duì)宇宙微波背景輻射和各向異性的研究”獲得了2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，NASA又于2001年發(fā)射了威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP），對(duì)宇宙微波背景輻射進(jìn)行了進(jìn)一步研究。2009年，ESA發(fā)射了普朗克衛(wèi)星。從2009年到2013年，普朗克衛(wèi)星對(duì)宇宙微波背景輻射進(jìn)行了到目前為止最為精確的測(cè)量。根據(jù)普朗克衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，天文學(xué)家計(jì)算出今天宇宙的哈勃常數(shù)值為67km/s/Mpc。

由此可見(jiàn)，使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和普朗克衛(wèi)星測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算出的哈勃常數(shù)存在顯著的差異。關(guān)于宇宙年齡和宇宙膨脹速度（即哈勃常數(shù)）之間的關(guān)系，我們可以簡(jiǎn)單理解為宇宙從誕生開(kāi)始演化到目前的狀態(tài)，膨脹越快，所需時(shí)間越少。因此如果哈勃常數(shù)值為74而非67，那說(shuō)明宇宙膨脹的速度比我們預(yù)期得更快，我們對(duì)宇宙年齡的估計(jì)值也要相應(yīng)地下調(diào)。

針對(duì)如何理解兩個(gè)不同的值，約翰·馬瑟在接受美聯(lián)社（AP）采訪時(shí)說(shuō)道：“兩種不同的膨脹速率可以被歸結(jié)于兩點(diǎn)，一是我們尚未發(fā)現(xiàn)我們測(cè)量中的錯(cuò)誤，二是自然中存在我們尚未發(fā)現(xiàn)的東西?！?/p>

不過(guò)，里斯并不認(rèn)為現(xiàn)在的差異是人為錯(cuò)誤導(dǎo)致的。事實(shí)上，至少現(xiàn)在天文學(xué)家無(wú)法把兩個(gè)結(jié)果之間的差異歸咎于某次測(cè)量中的錯(cuò)誤或是某個(gè)方法上的不當(dāng)。兩個(gè)值都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格檢驗(yàn)。里斯表示：“我們正在測(cè)量的是在本質(zhì)上不同的東西，一個(gè)是測(cè)量今天的宇宙正在以多快的速度膨脹，另一個(gè)則是一種預(yù)測(cè)，依據(jù)是早期宇宙的物理機(jī)制。如果兩個(gè)值不相符的話，那就很有可能是我們?cè)谶B接兩個(gè)部分的宇宙學(xué)模型中遺漏了什么。”

在里斯等人發(fā)表的這篇論文中，他們也簡(jiǎn)要討論了目前一些可能的解釋。其中一種被稱作“早期暗能量”，也就是暗能量除了在宇宙最初的膨脹過(guò)程以及今天的加速膨脹過(guò)程中扮演重要角色外，在大爆炸開(kāi)始之后不長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，暗能量同樣發(fā)揮著作用，這就使得宇宙的膨脹要快于天文學(xué)家此前的預(yù)測(cè)。里斯也認(rèn)為，早期暗能量的存在可以解釋哈勃常數(shù)兩個(gè)值之間的差異。另一種解釋是，宇宙中存在“暗輻射”，其中包括已知的中微子，弄清這些成分的相互作用也許可以彌合哈勃常數(shù)兩個(gè)值之間的差異。

面對(duì)這個(gè)棘手的問(wèn)題，里斯目前也無(wú)法給出答案。他的團(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)減少哈勃常數(shù)取值的不確定度，他們的目標(biāo)是降低到1%。這樣一來(lái)，天文學(xué)家會(huì)有更堅(jiān)實(shí)的依據(jù)來(lái)分析差異究竟從何而來(lái)。

宇宙的年齡對(duì)人類來(lái)說(shuō)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，這不僅關(guān)系到我們?cè)趺凑J(rèn)識(shí)宇宙，也關(guān)乎我們?nèi)绾慰创约涸谟钪嬷械奈恢谩?0年前，哈勃開(kāi)辟了一條道路，使我們有機(jī)會(huì)回答這個(gè)問(wèn)題。他曾經(jīng)嘗試過(guò)計(jì)算宇宙的年齡，但是由于他遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估了星系之間的距離，導(dǎo)致他計(jì)算出來(lái)的宇宙的年齡甚至小于地球的年齡。不過(guò)，也正是在不斷糾錯(cuò)的過(guò)程中，天文學(xué)家前赴后繼，正在越來(lái)越接近真正的答案。