宇宙膨脹的速度有多快?地球附近與地球遠處的膨脹速度,竟有「無法解釋的差異」

服役逾三十年的NASA哈伯太空望遠鏡靜靜望著太空,科學家利用它觀測的數據和計算宇宙膨脹速度,歐洲太空總署也利用普朗克衛星觀測的宇宙微波背景輻射,算出另一組(距離地球較遠的)宇宙膨脹速度,這兩個數字卻出現無法解釋的差異,科學家懷疑這其中有目前物理學尚無法解釋的成因,或需要解析度更高的韋伯望遠鏡提供新數據繼續研究。

1990年4月24日哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)發射升空時,計算宇宙膨脹率是其中一個主要目標。哈伯望遠鏡在過去三十年間幫助科學家觀測並修正宇宙的膨脹速度,美國有線電視網(CNN)報導,哈伯觀測到超過四十座星系,包括週期性膨脹、收縮的脈衝變星(pulsating variable)和爆炸、釋放輻射的超新星(supernovae)等天體,科學家利用這些資訊和數據當作標記,進而測量、推算宇宙距離和宇宙膨脹率。1998年,科學家發明了「暗能量」(dark energy)來說明宇宙加速膨脹。

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但是科學家發現另一個難題:大爆炸之後,地球附近的宇宙膨脹速度和距離較遠的宇宙膨脹速度之間,存在著無法解釋的差異。科學家認為需要新的物理學說來研究這個差異,美國太空望遠鏡科學研究所(STSCI)與與約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)的天體物理學家里斯(Adam Riess)是2011年諾貝爾物理學獎得主之一,他表示:「你藉由望遠鏡得到最精準的宇宙膨脹測量。這就是建造哈伯望遠鏡的目的,運用最好的技術達成目的。」

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哈伯望遠鏡以美國天文學家哈伯(Edwin Hubble)命名。在哈伯之前,另一位天文學家勒維特(Henrietta Swan Leavitt)在1912年發現了造父變星(Cepheid variable)的明暗變化週期,哈伯由此出發進行研究,然後在1920年代發現銀河系以外的星系,拓展人類對宇宙的想像。哈伯的研究成果揭露了人類的銀河系並不孤單,而哈伯後來也發現了宇宙在大爆炸之後,依然持續擴張。

哈伯常數的觀測與計算(NASA)
哈伯常數的觀測與計算(NASA)

哈伯常數的觀測與計算(NASA)

2011年諾貝爾物理獎由珀爾馬特(Saul Perlmutter)、施密特(Brian Schmidt)里斯三人獲得,他們為宇宙擴張研究立下新的里程碑,藉由觀測遙遠的超新星,測量出宇宙加速膨脹的速度。里斯繼續領導研究團隊「SHOES」(Supernova, H0, for the Equation of State of Dark Energy)探究宇宙膨脹率。

科學家創造出「宇宙距離階梯(cosmic distance ladder)」的概念以幫助估算宇宙的年紀,並研究宇宙的組成基礎。多個天文學家團隊使用哈伯望遠鏡的觀測數據,測算出哈伯常數為73±1公里/(秒‧百萬秒差距),每百萬秒差距相當於326萬光年,這也就是宇宙膨脹率。加泰隆尼亞高等研究院(ICREA)與巴賽隆尼亞大學宇宙科學研究所(ICCUB)的天文學家維爾德(Licia Verde)表示:「哈伯常數是非常特別的數字,我們可以像針線一樣,用它穿梭過去與現在,測試我們對宇宙的認識。這需要非常大量的精密作業。」

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然而歐洲太空總署(ESA)的科學家測算出的宇宙膨脹率卻與上述有所出入。ESA的普朗克衛星(Planck)在2009至2013年間測量大爆炸留下的宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background)解析宇宙,科學家利用普朗克的觀測數據以及宇宙標準模型理論,他們得出的宇宙膨脹率比利用哈伯望遠鏡算出的速度還要慢,算出哈伯常數為67.5±0.5公里/(秒‧百萬秒差距)。

2021年12月發射升空的韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,JWST)解析度比哈伯望遠鏡更高,可以提供比哈伯更清晰的觀測數據和影像,或許可以幫助科學家了解兩種宇宙膨脹率的成因,許多學者對此躍躍欲試,里斯說:「其實我並不在乎膨脹率具體是多少,但我喜歡用它來了解宇宙。」

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