宇宙正在加速膨脹，這可能是由暗能量驅動的。然而，哈伯張力–膨脹率測量中的一個差異–對現有模型提出了挑戰，並促使人們不斷研究解釋。天文學家幾十年前就知道宇宙在膨脹。當他們使用望遠鏡觀測遙遠的星系時，他們發現這些星係正在遠離地球。

天文學家發現，宇宙膨脹正在加速，很可能是由於暗能量的作用，正如Lambda CDM 模型所描述的那樣。然而，膨脹率測量結果（即哈伯張力）的不一致性正促使人們研究新理論和修改現有模型。

對天文學家來說，星系發出的光波長越長，星系遠離我們的速度就越快。星系離我們越遠，它的光線就越偏向光譜紅色一側的長波長–因此”紅移”就越大。

宇宙中的時間與距離

因為光速是有限的、快速的，但並不是無限快的，所以看到遠處的東西意味著我們看到的是它過去的樣子。對於遙遠的高紅移星系，我們看到的是宇宙年輕時的樣子。因此，”高紅移”對應的是宇宙的早期，而”低紅移”對應的是宇宙的晚期。

詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）的深場圖像顯示了宇宙中閃閃發光的星系。這是迄今為止最深、最清晰的遙遠宇宙紅外線影像。這張星系團SMACS 0723 的圖像被稱為”韋伯第一深場”，細節豐富。圖片來源：NASA、ESA、CSA 和STScI

但隨著天文學家對這些距離的研究，他們了解到宇宙不僅在膨脹，其膨脹速度還在加速。這種膨脹速度甚至比主要理論預測的還要快，這讓像我這樣的宇宙學家感到困惑，並在尋找新的解釋。

加速膨脹與暗能量

科學家把這種加速的源頭稱為暗能量。我們還不太清楚是什麼驅動了暗能量，也不知道它是如何運作的，但我們認為它的行為可以用宇宙學常數來解釋。

阿爾伯特-愛因斯坦最初提出了這個常數–他在廣義相對論中用lambda 標記了它。有了宇宙常數，隨著宇宙的膨脹，宇宙常數的能量密度保持不變。

想像一個裝滿粒子的盒子。如果盒子的體積增大，粒子的密度就會減少，因為它們會分散開來佔據盒子裡的所有空間。現在想像同一個盒子，但隨著體積的增加，粒子的密度保持不變。

這似乎並不直觀，對嗎？宇宙常數的能量密度並沒有隨著宇宙的膨脹而減少，當然非常奇怪，但這項特性有助於解釋加速膨脹的宇宙。

Lambda CDM： 宇宙學標準模型

目前，宇宙學的主要理論或標準模型被稱為”Lambda CDM”。Lambda 表示描述暗能量的宇宙常數，CDM 代表冷暗物質。這個模型既描述了宇宙晚期的加速度，也描述了宇宙早期的膨脹率。

具體來說，Lambda CDM 可以解釋宇宙微波背景的觀測結果，即宇宙大爆炸後大約30 萬年時宇宙處於”高溫、高密度狀態”時的微波輻射餘輝。利用普朗克衛星測量宇宙微波背景的觀測結果，促使科學家創建了Lambda CDM 模型。

將Lambda CDM 模型與宇宙微波背景擬合，物理學家可以預測哈伯常數的值，哈伯常數其實不是一個常數，而是描述宇宙目前膨脹速度的一個測量值。

但是，Lambda CDM 模型並不完美。科學家透過測量星系距離計算出的膨脹率，與Lambda CDM 利用宇宙微波背景觀測資料所描述的膨脹率並不一致。天體物理學家將這種分歧稱為哈伯張力。

宇宙膨脹的速度比流行的宇宙學模型預測的要快。資料來源：NASA/WMAP 科學小組

哈伯張力

在過去的幾年裡，科學家一直在研究如何解釋哈伯張力。這種張力可能表明Lambda CDM 模型不完整，物理學家應該修改他們的模型，也可能表明研究人員是時候對宇宙的運作方式提出新的想法了。對物理學家來說，新想法總是最令人興奮的。

解釋哈伯張力的一種方法是修改Lambda CDM 模型，改變宇宙晚期低紅移時的膨脹率。像這樣修改模型可以幫助物理學家預測可能是哪種物理現象導致了哈伯張力。

例如，也許暗能量並不是宇宙常數，而是引力以新的方式發揮作用的結果。如果是這樣的話，暗能量就會隨著宇宙的膨脹而演化–而宇宙微波背景顯示的是宇宙誕生幾年後的樣子，它對哈伯常數的預測就會有所不同。

但是，團隊的最新研究發現，物理學家無法僅僅透過改變宇宙晚期的膨脹率來解釋哈伯張力–這一類的解決方案都不成立。

探索新模型

為了研究哪些類型的解決方案可以解釋哈伯張力，加州大學開發了統計工具，使我們能夠測試改變晚期宇宙膨脹率的整類模型的可行性。這些統計工具非常靈活，可以用它們來匹配或模仿不同的模型，這些模型有可能符合宇宙膨脹率的觀測結果，也有可能為哈伯張力提供一種解決方案。

測試的模型包括不斷演化的暗能量模型，即暗能量在宇宙中不同時期的作用不同，科學家也測試了暗能量-暗物質相互作用模型（暗能量與暗物質相互作用）和修正重力模型（引力在宇宙中不同時期的作用不同）。

但這些模型都無法完全解釋哈伯張力。這些結果表明，物理學家應該研究早期宇宙，以了解張力的來源。

作者：Ryan Keeley，加州大學默塞德分校物理學博士後