宇宙在加速膨胀毫无疑问,但两大测量方法给出的膨胀速度不一致。引力透镜等“第三路径”虽然强大,却无法化解这个差异。

引力透镜令人惊叹,但无法解决哈勃张力问题

宇宙在变大,这是从1920年代Edwin Hubble的观测开始就被不断验证的事实。真正的争议在于它究竟以什么速度变大。这个看似简单的数字,成为现代宇宙学最棘手的问题之一,人们称之为哈勃张力。

两类主流方法给出了不同答案。第一类方法从宇宙早期的印记出发,也就是宇宙还炽热时留下的声学尺度,再把它推算到今天,得到的膨胀率是67公里每秒每百万秒差距。第二类方法从今天开始,通过恒星、超新星或类星体等距离标志物往回推,得出的数字是73公里每秒每百万秒差距。两个结果都很稳定,各自不矛盾,却互相对不上。它们之间的差距超过5σ,这不是小偏差,而是一个大谜团。

引力透镜令人惊叹,但无法解决哈勃张力问题

这也是为什么很多研究团队不断寻找“第三条道路”,希望找到能证明谁对谁错的独立测量方式。候选方案包括引力透镜超新星、引力透镜类星体,以及由中子星并合发出的标准警笛。这些技术非常强大,但它们其实并不能解决哈勃张力。原因并不直观,得从宇宙膨胀的测量方式说起。

如果把宇宙比作发酵的葡萄干面团,葡萄干代表星系这些有质量的结构,面团代表时空本身。葡萄干之间的相对距离变大,就是宇宙膨胀。我们要做的,就是去测量这些“葡萄干”之间的变化方式。

引力透镜令人惊叹,但无法解决哈勃张力问题

测量方法有两套体系。第一套是距离阶梯,从附近的恒星起步,一步步向更远处延伸,最终拼出一条从今天回望过去的长路。第二套则从宇宙诞生后不久的“早期遗迹”出发,例如宇宙微波背景里的温度波动或大尺度结构中的声学振荡,把这些特征从早期演化到现在,再与观测比对。

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只要使用同类方法,结果都在内部高度一致。距离阶梯的各种子方法给出的答案之间高度吻合。早期遗迹的多个数据集,不管来自宇宙微波背景还是来自星系分布,也都一致落在67附近。麻烦就在于这两大体系互相不匹配。

为了解释这种不匹配,有人尝试扩大误差估计,但误差重新评估后仍然不够大,无法填平差距。也有人尝试改动宇宙成分,如引入一种新的能量形式,或者让暗能量在时间中演化。还可以假设空间略有弯曲,或者早期宇宙的辐射含量不同,甚至让暗物质和中微子之间出现某种相互作用。这些设想都有可能让两个时代的测量结果偏向不同方向,但目前证据都不够明确。

引力透镜令人惊叹,但无法解决哈勃张力问题

于是引力透镜成为新的希望。引力透镜是一种极具力量的现象。一个大质量物体,比如星系团,会弯曲周围的时空,让来自更远处天体的光线产生多条路径。来自同一个类星体或同一个超新星的光会沿不同路径抵达地球,这些路径不同,走的时间也不同。只要能测出这些时间差,就可以用来反推宇宙膨胀。

类星体通常随机变亮或变暗。超新星则会爆发、增亮、达到峰值再逐渐变暗。只要同一个事件从不同图像中出现的时间不同,我们就能估算这些路径有多长,再结合透镜的质量分布,就能建出一张“质量地图”。随着Hubble和JWST的高分辨率图像,这项技术发展成所谓时间延迟宇宙学。

一个著名例子是2014年的超新星Refsdal。当时它以四个像出现,之后在2015年又在另一个位置再次出现。两个图像之间相隔了376天。这样的时间延迟为独立估算宇宙膨胀提供了宝贵机会。

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问题是,这类方法本身也必须遵循同一种逻辑框架。它既不是纯粹的距离阶梯,也不是纯粹的早期遗迹,它属于单独的一类。如果用这种方式构建的方法体系内的所有数据都一致,那它能告诉我们的只是“这套方法得到的答案”。它无法直接裁定哪套大体系正确。即便未来再出现更多透镜类星体、更多多重像超新星,也依然不能解决哈勃张力,只能让我们得出另一个自洽的数字。

宇宙膨胀的争议不是两方对错的问题,而是宇宙可能藏着更深层的物理机制。引力透镜能帮我们描绘更多细节,却无法从根本上化解两大体系的冲突。科学之所以迷人,就在这里。每解开一层,下面总还有新的谜题。

本文译自 Big Think,由 BALI 编辑发布。


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