宇宙膨胀速度是多少？从强引力透镜能“看到”正确答案吗
图片：NASA
科技日报记者 唐芳
大爆炸宇宙学最主要的观测证据之一，就是哈勃定律所揭示的宇宙膨胀现象，对于宇宙膨胀速度的研究关乎宇宙本质。如果说宇宙正在不断膨胀，那么它膨胀的速度到底有多快呢？
天文学上用哈勃常数来表示当前宇宙膨胀速度。科学家通过宇宙距离阶梯方法和宇宙微波背景辐射方法，得出的哈勃常数分别为74.03±1.42km/s/Mpc（即距离地球326万光年的天体退行速度为每秒74千米），误差2%和67.4±0.5km/s/Mpc，误差0.7%。显然，这两种结果存在明显的偏差，这就是哈勃常数危机。近日，第三种独立观测结果的揭晓，使得对宇宙膨胀速度的研究更为扑朔迷离。
一个国际天文学研究团队利用强引力透镜效应，通过10年的持续观测，测得哈勃常数为67.4，误差5%。 该研究结果于11月20日发表在《天文学与天体物理学》杂志上。
两种方法各有缺陷 导致哈勃常数之争
北京师范大学天文系教授胡彬在接受科技日报记者采访时表示，测量宇宙膨胀速度的方法有很多，相对而言，宇宙距离阶梯方法和宇宙微波背景辐射方法是最准确的两种。
那么， 为何这两种测量方法会得出不同的答案？ 上述研究团队成员之一、武汉理工大学理学院副教授廖恺表示，这有两种可能， 一是由于未知的系统误差 ，如仪器、处理方式或未知的天体物理过程等所带来的误差； 二是当前宇宙标准模型的假设可能存在错误 ，例如宇宙可能不平坦、暗能量状态方程有误或存在未知的中微子分支等。
廖恺进一步解释道，宇宙距离阶梯方法是一种直接测量方法。由于Ⅰa型超新星本身的光度恒定，它们又被称为宇宙标准烛光。科学家可以通过测量Ⅰa型超新星的亮度变化来测量它们远离我们的速度，借此便可以推算出宇宙膨胀的速度是多少。“每一步天体校准过程都会不可避免地产生系统误差，多次校准后，可能会使得结果精确但不准确。”他表示。
而关于宇宙微波背景辐射方法，胡彬表示：“尽管这一测量方法本身十分准确，但是其对哈勃常数的计算属于间接测量，比较依赖宇宙学模型的假定。”
“传统测量哈勃常数方法的缺陷可能在短期内无法得到有效修正。因此才有了‘哈勃常数争论’。”廖恺表示，最新研究中第三种独立的测量方法——利用强引力透镜效应也许能够提供新的视角。
当然，除了上述3种哈勃常数测量方法外，科学家一直在寻找更多新的测量方式。廖恺此前曾提出利用瞬变源测量哈勃常数，他认为宇宙中如各类超新星、伽马射线暴和它的余辉、重复快速射电暴，甚至是引力波等瞬变源，都可以用于测量哈勃常数。
第三种方法早已有之 10年观测获得高质量数据
事实上，早在20世纪60年代，就曾有人提出利用强引力透镜效应测量哈勃常数，但是由于观测数据质量较低、理论认识不足等原因，这一方法直到近几年才被学界广泛认同。
引力透镜效应，是指电磁波或引力波在大质量天体附近经过时，会像通过透镜时一样发生偏转，从而在观测者眼中形成多个像。
廖恺介绍道，强引力透镜指宇宙学距离上的类星体、前景的透镜星系和地球处于三点一线的位置时，透镜星系的引力场会让类星体产生多个像，且每个像到达地球的时间不同。因此，强引力透镜效应可以帮助科学家进行绝对距离测量，也就是测量所谓的“时间延迟距离”，它的值反比于哈勃常数。