当宇宙的直径被精确到930亿光年,连光都要跨越几百亿年的旅程才能穿越它,人类还有没有可能触及所谓的"超光速"?如果宇宙边缘正以远超光速的速率远离我们,这种"超越光速"究竟是一种真实的运动,还是对物理规律的另一种解读?
宇宙在膨胀已是众所周知的事实,但它究竟以多快的速度膨胀,却始终难以给出确切答案。为了搞清楚这个问题,科学家采用了两种不同的方法。
第一种方法是借助造父变星、超新星这类"标准烛光",先把天体的距离测出来,然后再结合光谱红移,计算出天体远离我们的速度,也就是退行速度。将两者结合,就可以计算出宇宙的膨胀速率。
这个速率在科学上被称为哈勃常数。通过这种方法测得的数值是73千米每秒每百万秒差距,意思是天体每远离我们100万秒差距(约326万光年)时,其退行速度就会增加73千米每秒。
换句话说,离我们越远的天体,远离我们的速度就越快,这被称为哈勃定律。
从20世纪初天文学家发现宇宙膨胀到今天,已经过去了100多年。这一个多世纪里,可观测宇宙的膨胀速度被证明是越来越快的,可观测宇宙的直径也被精确到了930亿光年,其年龄则被定格在138.2亿年左右。
930亿光年的直径和465亿光年的半径,对人类而言几乎是一种难以想象的存在,因为它的尺度之大早已超出人类大脑的直观思考范围。
由于导致天体远离的是凭空产生的空间,而非天体自身的真实运动,因此天体的退行速度不受相对论制约。理论上只要距离足够远,退行速度完全可以超过光速。
以465亿光年的可观测宇宙半径来算,当哈勃常数取73时,宇宙边缘远离我们的速度大约是光速的3.5倍。人们平时听到的"宇宙在超光速膨胀",指的正是这个含义。
除了基于标准烛光,另一种计算宇宙膨胀的方法是基于宇宙微波背景。简单说,就是通过重子声学振荡,分析宇宙早期的物质分布和宇宙晚期的星系分布情况,从二者之间的关系推算出空间的膨胀速度。
值得注意的是,这种方法对宇宙学模型的依赖性很强,它建立在当前的宇宙学模型是正确的基础之上。
虽然两种方法原理不同,但理论上它们最终的结果应该是一致的。然而让科学家没想到的是,这两种方法得到的哈勃常数竟然并不吻合。
基于背景辐射算出的结果是67千米每秒每百万秒差距。这个值看起来与73差别不大,仅仅相差6千米每秒每百万秒差距,但要注意,这是每秒每百万秒差距之差。
以宇宙的时间和空间尺度而言,这样的误差积累下来绝对不可忽视。
误差为何会出现?这个问题至今困扰着天文学家,被称为哈勃常数危机或哈勃冲突,有时也翻译成哈勃张力。
截至目前,试图解决该问题的论文少说也有上千篇,其中包括此前提到的"5000亿年一圈的旋转宇宙模型",以及主张暗能量不存在的"时间景观模型"。此外还有观点认为,宇宙早期可能存在额外的暗能量,暗物质可能具有特殊性质,或者引力理论可能需要修改等。
总之,这些理论都从不同角度出发,试图解答哈勃常数不一致的问题。
然而,通过背景辐射的方式毕竟更偏向全局视角,按理来说可能会更靠谱一些,除非宇宙学模型本身出了问题。而标准烛光的方式受限于设备和观测条件,相比之下更容易让人产生怀疑。
早先人们先是借助哈勃望远镜进行观测,但哈勃主要工作在可见光波段附近,它对距离遥远的天体并不敏感,所以当时不少人怀疑哈勃冲突可能是哈勃观测结果不够准确造成的。
于是,人们将希望寄托在专攻红外波段的韦伯望远镜身上,希望它能对哈勃的观测结果做出裁决。
2024年2月,基于韦伯的高清红外数据,科学家终于等来了一个令人失望的结果——哈勃的观测数据没有问题。那难道真的是宇宙学模型出了问题?
2025年5月,一篇发表于《天体物理学杂志》的文章中,一个专门研究哈勃冲突问题的团队基于韦伯的观测数据,使用三种独立方法对超新星亮度进行校准,并重新计算了天体的距离和宇宙膨胀速率。
这次他们惊讶地发现,他们的结果与背景辐射的结果竟然意外地对上了。
具体来说,由于传统通过造父变星的方式测距存在金属丰度修正等问题,于是研究团队这次在造父变星之外,还引入了红巨星和渐近巨星分支这两类恒星。从分类就可以看出,这两类都是恒星中十分古老的成员,但年龄虽老,用来测距依然效果不错。
比如红巨星在核心氦闪时,会在特定波长上达到亮度峰值,此时的亮度就相当于一种标准烛光,而且红巨星的氦闪过程几乎不会受到金属丰度的影响,因此可以免去金属丰度修正问题。
另外,对于渐近巨星来说,其中有一类恒星被称为"探星",它们在特定波长上的亮度非常集中,因此也可以用来作为标准烛光。
随后,研究团队用这两类新天体重新校准了超新星。经过计算,他们发现红巨星方式测得的哈勃常数大约是70.4千米每秒每百万秒差距,渐近巨星方式测得的哈勃常数大约是67.8千米每秒每百万秒差距。
可以看到,加上统计误差和系统误差后,这两种方式得到的哈勃常数都覆盖了基于背景辐射的结果。多年来,两种截然不同的方法首次在各自的误差范围内给出了一致的答案,哈勃冲突似乎已经解决。
当然,现在说"解决"还为时尚早。首先,这次基于造父变星的数据仍在分析中,尚未出炉,等结果出来后,应该还会对整体进行进一步修正。
其次,该研究选取的样本太小,此次校准的超新星一共只有24颗,统计误差仍然很大,甚至可以说正是因为它的误差太大,所以容错率被提高了。目前,研究团队正在申请更多的韦伯观测时间,计划将样本扩大到100个星系。
另外,天文测距本身的系统误差就很大,因为大尺度的测距往往无法通过单一方式完成,需要一系列的校准工作。比如先通过造父变星校准超新星,再通过超新星校准遥远星系,这中间每一步都会积累一定误差,链条越长,误差就越大。
因此,如果能把校准链条尽量缩短,将对提高精度大有帮助。所以在未来的观测计划中,研究团队打算跳过校准超新星这一步骤,直接利用红巨星、渐近巨星加红移的方式一步到位,以减少系统误差。
他们希望用这种更为纯粹的方式来精确测量哈勃常数,从而彻底解决哈勃冲突。
事实上,哈勃冲突的解决,并非只是让人类对宇宙膨胀速度的了解更加精确,它更关系到人类对宇宙基本性质的理解。和其他天文研究一样,针对哈勃冲突的研究不仅能推动理论的发展,同时也会促进相关技术的进步。
无论最终结果如何,对人类科学发展而言,天文探索的这个过程本身,才是最为宝贵的财富。
回到最初的问题,所谓"超光速"其实分成两种截然不同的含义:一种是宇宙空间膨胀带来的退行速度,它可以远远超过光速,却并非物体在空间中的真实运动,也就不违背相对论;而另一种,才是人们真正梦寐以求的星际航行意义上的超光速,那才是眼下人类最遥不可及的目标。
在人类文明目前飞船速度还徘徊在千分之一光速左右的情况下,火星轨道以外的太阳系天体基本都谈不上什么现实意义。要真正开发太阳系,飞船速度至少要提升到光速的百分之一乃至十分之一,也就是每秒3000公里到3万公里,而这还只是走出摇篮的第一步。
面对930亿光年这样的宇宙尺度,与其纠结超光速技术是否存在,不如承认人类仍处在极其初级的阶段。哈勃冲突的每一次靠近答案,都是人类朝着那个宏大宇宙又迈出的一小步,而这条路才刚刚开始。
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