我们的宇宙正在分崩离析，星系彼此远离的速度比之前更快。自 20 世纪 90 年代后期以来，科学家们就已了解这种加速现象，但无论是什么原因导致了它——被命名为暗能量——仍然是一个谜。现在，最新的宇宙增长速度测量结果进一步加剧了这一谜团：宇宙的膨胀速度似乎比它应有的速度更快，即使在考虑了由暗能量引起的加速膨胀之后也是如此。
科学家们在将他们新测量的宇宙膨胀率（称为哈勃常数）与基于早期宇宙证据的哈勃常数预测值进行比较后，得出了这一结论。这种令人费解的冲突——在早期数据中有所暗示，并在新的计算中得到证实——意味着，要么其中一项或两项测量存在缺陷，要么暗能量或其他自然方面的作用方式与我们所认为的不同。
“底线是，宇宙的膨胀速度似乎比根据它年轻时的样子以及我们预期它的演变速度快了大约 8%，”马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的研究负责人亚当·里斯说。“我们必须非常认真地对待这个问题。”他和他的同事们在一篇论文中描述了他们的发现，该论文基于哈勃太空望远镜的观测结果，上周已提交给《天体物理学杂志》并发布在预印本服务器 arXiv 上。
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暗能量的皱纹
最令人兴奋的可能性之一是暗能量比主要理论所暗示的还要奇怪。大多数观测结果支持这样一种观点，即暗能量的行为类似于“宇宙常数”，这是阿尔伯特·爱因斯坦插入他的广义相对论方程中并随后删除的一个术语。这种暗能量将产生于空的空间，根据量子力学，空的空间根本不是空的，而是充满了不断涌现和消失的“虚拟”粒子和反粒子对。这些虚拟粒子将携带能量，而能量反过来可能会施加一种负引力，将宇宙中的一切向外推。
然而，哈勃常数的差异表明，暗能量实际上可能会随着空间和时间而变化，从而可能导致宇宙加速膨胀，而不是恒定的向外力。一种提出这种暗能量的理论被称为本原，它认为暗能量不是来自空间的真空，而是来自一个弥漫在时空中的场，并且可以在不同的点取不同的值。
然而，对这种差异的另一种解释是，宇宙包含我们所知道的粒子以外的其他基本粒子。特别是，一种新的中微子种类——一种几乎没有质量的粒子，迄今已知有三种变体——可以解释哈勃常数测量结果的差异。如果存在额外类型的中微子，那么宇宙的总能量将更多地以辐射而不是物质的形式存在。（中微子，因为它们几乎没有质量，所以以接近光速的速度传播，因此在此计算中被视为辐射）。物质在引力作用下会聚集在一起，而更大的辐射预算将允许宇宙比原本扩张得更快。
而这些想法只是测量结果的两种可能含义。例如，另一种选择是，宇宙不是像人们认为的那样是平坦的，而是略微弯曲的。理论家们兴奋地追求所有这些概念以及更多概念，但参与实验的科学家们说，他们必须首先尝试找出测量中的缺陷，这些缺陷可以解释这种差异。“基本上，是宇宙学中存在我们不理解的东西，还是数据本身存在问题？”约翰·霍普金斯大学的查尔斯·贝内特说，他曾参与对早期宇宙的哈勃常数进行测量，但没有参与最新的研究。“其中一种情况更令人兴奋，但我认为另一种情况可能更可能发生。”
距离阶梯
里斯和他的团队通过比较各个星系的距离与它们的红移来计算宇宙的增长速度，红移衡量的是它们的光的波长因宇宙的膨胀而被拉伸的程度。计算距离是一项棘手的壮举，需要研究人员称之为“构建距离阶梯”的技术。首先，他们使用可靠的方法测量了近距离星系的距离，然后使用这些距离来校准星系内的变星的测量值。这些恒星被称为造父变星，它们会周期性地变亮和变暗，从而可以作为宇宙标尺。最后，研究人员使用造父变星（仅在相对较近的地方可见）来校准一类特殊的超新星爆炸（称为 1a 型）的测量结果，这种爆炸会以已知的亮度爆发，从而使天文学家可以推断出它们的距离。一旦他们获得了附近的超新星的可靠测量值，他们就可以将它们与更远的同类型超新星进行比较，以非常准确地读取它们的距离。
这本质上与里斯及其同事在 20 世纪 90 年代发现宇宙膨胀正在加速的第一个证据时所使用的技术相同——这一发现后来为他和另外两人赢得了诺贝尔物理学奖。2011 年，该团队根据包含造父变星和 1a 型超新星的 8 个星系，对哈勃常数进行了更新的测量，但新论文又增加了 10 个星系。“对于这 10 个星系中的每一个，我们在大约 100 天的时间跨度内观测了它们大约 12 次，”德克萨斯农工大学的萨曼莎·L·霍夫曼说，他分析了大部分数据。“这是一项相当大的工作。”最新的测量结果将宇宙的膨胀速度定为每秒每百万秒差距（约 300 万光年）73.02，误差为正负 1.79，这意味着每向外移动一个百万秒差距，空间就会以每秒约 73 公里的速度退缩得更快。
回顾过去
另一方面，早期宇宙的哈勃常数测量来自对宇宙微波背景（CMB）的观测——宇宙大爆炸遗留的光，它弥漫在整个天空。研究人员研究了 CMB 中的模式，并根据最知名的宇宙学定律推断到现在，从而得出了哈勃常数。迄今为止对 CMB 的最佳观测是由欧洲航天局的普朗克卫星进行的，其数据将宇宙的膨胀率定为每秒每百万秒差距 67.3，误差为正负 0.7。
“以前，两种测量结果中存在这些紧张的迹象，”里斯团队的成员芝加哥大学的丹·斯科尔尼克说。“现在，我们的团队和普朗克团队都重新进行了分析，这些迹象变得更加强烈。我们有一个警钟，表明可能真的有更多的事情发生。这可能是现在宇宙学中最大的紧张关系。”
最新结果也与其他基于类似距离阶梯测量的哈勃常数测量结果非常一致，例如芝加哥大学的温迪·弗里德曼于 2012 年领导的一项研究。“我认为有趣的是，他们增加了样本量，但结果基本没有变化，”弗里德曼说。“能够达到这一点是非常了不起的进步，但实际上要在这个水平上进行明确的测量，需要独立的方法。最终如何解决这个问题现在还为时过早。”弗里德曼正在领导一项使用另一种宇宙标尺——RR 莱拉变星——代替造父变星进行相同计算的努力。
在 CMB 方面，科学家们也在继续分析数据，并寻找可能出错的解释。贝内特在普朗克实验之前领导了一项 CMB 测绘任务，名为威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP)，他说 CMB 数据中也存在差异，例如，卫星通过查看小尺度天空与大尺度天空所测量的结果之间存在差异。“在我对宇宙学得出结论之前，我想先了解这些事情，”他说。总的来说，他对取得的进展感到非常兴奋。
“我们经历了多年不了解哈勃常数值的两倍的情况，而现在我们谈论的是将其误差控制在 2% 以内，”他补充说。“我们正在比较的这些东西具有很高的精度，这证明了该领域的许多人的贡献。这里的信息是，事情还没有结束。我们需要继续前进。”