自人类开始探索宇宙以来，它就一直隐藏着自己的重要统计数据——它的年龄、重量、大小和成分。然而，到了 21 世纪初，专家们开始宣扬精确宇宙学的新时代。宇宙学家不再争论宇宙是 100 亿年还是 200 亿年——它诞生于 138 亿年前。饼状图现在描绘了宇宙中不同相对物质和能量的精确配方。天文学家最近就宇宙膨胀速度达成了一致，解决了 1929 年埃德温·哈勃发现宇宙膨胀时引发的争议。
但现在，通往精确描述的宇宙的顺利道路遇到了一些障碍。欧洲航天局的普朗克卫星对宇宙膨胀速度的新测量结果与以前方法得到的最佳数据不符（SN：4/20/13，第 5 页）当宇宙拼图的所有碎片似乎都已拼合完毕时，其中一块碎片突然不再那么完美了。
普林斯顿大学天体物理学家戴维·斯佩格尔 (David Spergel) 表示：“有些事情看起来不太对劲。我们再也不能如此自信地宣称我们的所有数据集看起来都是一致的。”
换句话说，测量宇宙膨胀率（称为哈勃常数）的不同方法不再收敛到一个值。这使描述宇宙特性的整套数字（称为标准宇宙学模型）受到质疑。接受新的哈勃常数值意味着修改构成宇宙的成分配方，例如隐藏在太空中的暗物质和加速宇宙膨胀的暗能量。
多年来，哈勃常数的值一直难以确定，但其重要性却不容忽视。哈勃本人严重高估了膨胀速度，而膨胀速度取决于距离——两个物体距离越远，空间膨胀将它们推开的速度就越快。哈勃计算出，相距一百万秒差距（约 300 万光年）的物体将以每秒 500 公里的速度分开。按照这个速度，宇宙将比地球更年轻，这很矛盾。
精确的测量逐渐将估计值降低到更现实的范围。到 20 世纪 70 年代，专家们对哈勃常数是接近 100 还是接近 50 产生了争议。到 20 世纪 90 年代末，哈勃太空望远镜对超新星的观测和其他数据将膨胀率值定在了 70 多，最终稳定在 73 公里/秒/兆秒差距左右。
通过测量大爆炸遗留下来的辐射辉光，人们对该值的信心得到了增强，主要通过被称为 WMAP 的卫星探测器进行。哈勃常数的值约为 70，非常接近 73，以至于两个值的误差范围重叠（SN：3/15/08，第 163 页）。
但去年，普朗克卫星报告了对这种光晕（即宇宙微波背景辐射）更精确的测量结果，暗示哈勃常数约为 67。这比哈勃望远镜的数值低约 10%，大多数物理学家认为这个差异太大而无法忽视。
“我们似乎存在一些分歧，”加利福尼亚州帕萨迪纳市卡内基天文台的温迪弗里德曼说，她是使用哈勃望远镜测量膨胀率的团队负责人。
令人不快的差异
2013年，普朗克卫星数据显示，宇宙膨胀的速度比其他数据源略低，这促使人们对宇宙成分的估计进行了修正。科学新闻/YouTube |
弗里德曼、斯佩格尔和其他专家预计，进一步完善测量方法最终将解决这一矛盾，不会造成重大影响。尽管如此，这一差异仍然是 12 月在达拉斯举行的德克萨斯州相对论天体物理学研讨会上讨论的话题。普朗克团队的克日什托夫·戈尔斯基在研讨会上发言时承认了这一分歧，但他指出，普朗克的大部分数据尚未得到分析。“我认为我们应该保持冷静，继续前进，”他说。
可能只是校准仪器时存在未知问题，导致其中一种方法无法成功。另一方面，科学的宇宙基本模型也可能存在问题。
“后一种可能性是最令人兴奋的，”斯珀格尔说，“因为它可能为我们研究暗能量或某些新物理学提供一些线索。”
目前已经出现了几种推测性方案，它们提供了减少或消除这种差异的新方法。一个研究小组提出，也许引力本身具有质量，导致超新星方法高估了哈勃常数。或者，也许暗能量和暗物质（宇宙配方中据称独立的成分）以某种方式相互作用，使哈勃常数高于普朗克结果所暗示的数值。宇宙中物质的不均匀分布可能意味着基于超新星和附近（因此是最近的）宇宙中的其他物体的哈勃常数与从宇宙微波背景中得出的值不匹配，后者可以追溯到时间的开始。
缩小差距
大多数专家认为，更多的数据将缓解紧张局势，而无需进行大规模的宇宙学手术。而且还有更多数据正在路上。例如，普朗克的报告是基于大约 15 个月的观测，相当于两次天空扫描。最终，普朗克团队将分析 50 个月的数据，这将进一步减少今年晚些时候发布分析结果时的误差幅度。
与此同时，弗里德曼和卡内基哈勃项目的同事们继续完善哈勃常数的估计。这项工作结合了哈勃望远镜、斯皮策太空望远镜和地面望远镜的数据，建立了宇宙距离尺度。
由于宇宙的膨胀率取决于两个物体之间的距离，因此测量宇宙膨胀率需要准确了解宇宙距离。在近处，距离是直接从视差计算出来的。通过从地球绕太阳轨道的两侧观察恒星，简单的几何学就可以知道它离我们有多远。在更远的地方，距离测量依赖于“标准烛光”——亮度已知的物体，可以通过它们出现的亮度推断出距离。
传统上，天文学家利用造父变星这一特定恒星类别的标准烛光潜力。造父变星会定期变亮和变暗，时间取决于其固有平均亮度。视差建立了附近造父变星的亮度-距离关系；然后可以使用该关系来估计更远的造父变星的距离。
然而，要测量哈勃常数，需要更远的标准烛光，而这正是超新星的任务。有一类超新星被称为 1a 型，它们的亮度并不完全相同，但可以根据其光线随时间变暗的速度计算出其固有亮度。目前，弗里德曼和同事正在整合包含造父变星的星系中 1a 型超新星的数据，以便校准距离尺度。这些距离加上物体退去的速度（从它们发出的光的颜色推断）决定了膨胀率。弗里德曼说，结合超新星和造父变星的数据“目前提供了测量哈勃常数和最大限度减少系统误差的最佳机会”。
新配方
她指出，这种方法可以直接测量膨胀率，而宇宙微波背景读数仅能提供间接估计值。普朗克测量了空间中的温度差异，这是婴儿宇宙中物质密度变化的遗留物。结合其他数据和假设，这些测量结果可用于推断宇宙的其他特性。普朗克的哈勃常数值最适合整个宇宙模型，包括暗能量性质模型。
哈佛大学宇宙学家罗伯特·基什纳说：“所以，这种分歧或许表明，暗能量并不像你想象的那么简单。但现在下结论还为时过早。”
如果哈勃常数真的像超新星数据所表明的那样偏高，那么宇宙的膨胀速度现在平均比以前快了一点。这可能意味着暗能量的强度会随着时间而变化。“这是一个有趣的可能性，”Kirshner 说。强度发生变化的暗能量对宇宙的命运有影响。宇宙不是永远膨胀，而是有一天可能会在“大撕裂”中被撕成碎片。
然而，如果普朗克膨胀率值是正确的，那么宇宙成分的标准模型就需要进行调整，以使所有数字都符合要求。这些成分包括少量普通物质、大量暗物质和大量暗能量。综合起来，这些成分产生了一个一致的宇宙模型，其中空间的几何形状几乎是完全平坦的（这意味着普通的欧几里得平面几何可以准确地描述它）。
在普朗克之前，宇宙的质量能量组成由 4.5% 的普通物质、近 23% 的暗物质和近 73% 的暗能量组成。普朗克的估计将暗能量降至约 68%，暗物质接近 27%，普通物质接近 5%。
推测性解决方案
自 2013 年 3 月普朗克观测结果公布以来，物理学家们一直在寻找通过修改标准模型来解释哈勃常数不一致的方法。一项提议要求修改爱因斯坦的广义相对论，即为所有宇宙科学提供基础的引力理论。按照这种方法，引力本身将是巨大的：引力子，即传输引力的所谓无质量粒子，将具有较小的质量，从而为空间增添一个新的场。巴黎天体物理研究所的道格拉斯·斯波利亚尔 (Douglas Spolyar) 表示，该场可能会影响归因于暗能量的宇宙膨胀加速在一篇论文中提出12 月 11 日发表于物理评论快报与牛津大学的 Martin Sahlén 和 Joe Silk 合作。
他们指出，如果引力子质量削弱了暗能量的影响，那么在引力较小的区域，比如附近的太空空洞，暗能量就会更强。局部空洞中更活跃、产生膨胀的暗能量可以解释为什么来自附近超新星的数据会比普朗克探测到的更远宇宙的测量值产生更高的哈勃常数值。
圣保罗大学的 André Costa 及其同事提出了另一个与标准宇宙学不同的观点，他们提出了暗物质和暗能量之间的阴谋，这是宇宙配方中最神秘的两种成分。在标准观点中，宇宙的黑暗面是独立的组成部分。一个增加了引力吸引力（在星系形成中起着重要作用）；另一个施加引力排斥力，导致宇宙膨胀速度加快。但如果它们放弃独立性并以某种方式相互作用——就像两种药物单独治疗但联合使用会致命——哈勃常数测量可能会受到污染。
例如，如果能量可以从暗物质流向暗能量，那么普朗克数据就会低估真正的哈勃常数，而这将更接近超新星研究测量的值，科斯塔及其同事在一篇论文中指出去年 11 月发布于 arXiv.org。
其他研究人员认为，解决方案可能不会对目前的正统观念产生如此大的挑战。这两种测量方法可能只是因为它们探测的是宇宙的不同部分而有所不同。这两种方法不仅测量了不同时期的膨胀，还探测了不同尺度的物理学。超新星以人类的标准来看很大，但在宇宙尺度上，它们就像空间中的点一样。宇宙微波背景的测量探测了更大的天空区域，法国宇宙学家团队在一篇论文中指出去年物理评论快报。
等待更多数据
最终，所有猜测都将通过更多数据进行过滤——这些数据来自普朗克、超新星研究和其他方法。例如，去年 12 月，欧洲航天局的盖亚探测器发射升空；它将产生更精确的造父变星视差，以用于使用超新星方法测量哈勃常数。斯隆数字巡天计划的一部分 BOSS 项目已经利用重子声学振荡这一线索为哈勃争论提供了新的素材。
在非常年轻的宇宙中，物质和光的相互作用产生了同心压力波，或声波振荡，就像石头落入水中时池塘中产生的涟漪一样。这些声波涟漪的脊线会在特定的分离距离处沉积物质——小种子，这些种子会长成星系。因此，这些涟漪的特征应该反映在当今太空中星系的分布中。BOSS 观测表明，两个星系之间的理想距离约为 150 兆秒差距（约 4.5 亿光年）。结合红移测量（揭示星系远离地球的速度），BOSS 数据为宇宙距离尺度提供了新的检验方法。加入来自宇宙微波背景探测器的数据可以再次计算哈勃常数。
今年 1 月，在华盛顿特区附近举行的美国天文学会会议上，BOSS 科学家公布了他们的最新成果，得出的哈勃常数为 68 到 69。哈佛-史密森天体物理中心的 BOSS 团队成员丹尼尔·艾森斯坦表示，这一结果仍然低于超新星测量的值。
“双方并没有产生尖锐的分歧，但很有趣，所以有很多团体试图追踪这个问题，并试图了解解决办法，”他说。“今天我们仍然有这种轻微的紧张关系。我们将在 6 到 12 个月内看到情况。”
无论如何，正如弗里德曼指出的那样，目前有关哈勃常数的争论范围比以前各阵营主张的高达 100 或低于 50 的范围要窄得多。
“幸运的是，现在测量的哈勃常数值的范围以及这些测量的不确定性已经大大降低，”她在德克萨斯州的研讨会上说。“而且未来还计划了大量进展，这将平息这场争论。新物理学的出现仍然是一个令人兴奋的机会。或者不是。”
汤姆·西格弗里德（Tom Siegfried）曾任科学新闻。
