哈勃空间望远镜拍摄的星系UGC 9391，是这项新研究中采用的星系之一。这个星系包含两类“量天尺”——造父变星（红圈所示）和Ia型超新星（蓝色光标所示）——天文学家利用它们计算出了更精确的哈勃常数。图片来源：NASA/ESA/A. Riess [STScI/JHU]

宇宙正在膨胀，那膨胀的速度有多快？对于这个问题，天文学家已经获得了迄今最精确的测量结果。问题是，在此之前，根据其他观测数据以及我们目前对宇宙物理过程的了解，天文学家曾经预言了宇宙当前的膨胀速度，而此次获得的观测数据与此前的预言并不相符。

确切说来，宇宙现在的膨胀速度要比预言快了9%。天文学家称，这一差异意味着，要么对于宇宙微波背景辐射的观测是错的，要么就是有某种未知的物理现象正在加速空间的膨胀。

美国加利福尼亚大学伯克利分校的天文学教授、宣布这一发现的论文合作者之一阿列克谢·菲利潘科（Alex Filippenko）说，“如果你真的相信我们的数值，相信我们费尽心血做出了正确的测量，并准确理解了结果的不确定度，那就只能得出一个结论——基于宇宙微波背景辐射（即大爆炸余辉）的测量所作出的预言出问题了。”

他补充说，“或许宇宙在戏弄我们，或许我们对于宇宙的了解还不完整。”

原因有可能是存在另一种未知粒子，或许就是常被假设的中微子第4味，也有可能是暗能量（导致宇宙加速膨胀的不明因素）在138亿年宇宙演化的历史过程中影响力变得越来越大。还有可能是爱因斯坦的广义相对论，即宇宙学标准模型的基础，存在一点点偏差。

这项研究的领导者、美国约翰斯·霍普金斯大学及空间望远镜科学研究所的亚当·里斯（Adam Riess）说，“这一惊人发现或许是一条重要的线索，将帮助我们理解宇宙中所占比例高达95%却又不会发光的那些神秘成分，比如暗能量、暗物质和暗辐射（dark radiation）。”里斯曾在加利福尼亚大学伯克利分校任博士后研究员，与菲利潘科共事过一段时间。由于观测Ia型超新星而发现宇宙正在加速膨胀，里斯在2011年获得了诺贝尔物理学奖。

大爆炸余辉

几年前，欧洲空间局的普朗克天文台（Planck observatory）测量了宇宙微波背景辐射里的细微波动，这种背景辐射记载了早期宇宙的历史。普朗克所作的测量结果，再结合当前的宇宙物理学标准模型，曾预言今天宇宙的膨胀速度应该为66.53±0.62千米/秒/百万秒差距（km/s/Mpc）。百万秒差距是一个距离单位，大约相当于326万光年。

在此之前，对星系所作的直接观测将宇宙当前的膨胀速率，也就是所谓的“哈勃常数”（Hubble constant），限定在了70到75 km/s/Mpc之间，允许有大约5%－10%的误差——这个结果倒并不一定与普朗克的预言相违背。然而，菲利潘科说，最新的直接测量得出的膨胀速率为73.24±1.74 km/s/Mpc，不确定度仅有2.4%，显然与普朗克的预言无法相容。

这个研究团队开发了创新技术，改善了对遥远星系距离的测量精度，从而提高了对宇宙当前膨胀速率的测量精度。研究团队中有几名成员都参与过当年的高红移超新星搜寻团队，正是该团队在1998年共同发现了宇宙的加速膨胀。

研究团队找到了一些星系，既含有造父变星（Cepheid），又包含Ia型超新星。造父变星是一类脉动变星，光变速率与它们自身的真实亮度相关。知道一颗恒星的真实亮度，再跟地球上它看起来的视亮度作个比较，就能够准确测定它的距离，继而了解它所在星系的距离。因此，造父变星又被称为“量天尺”。Ia型超新星则是另一类常用的宇宙量天尺，这类爆炸的恒星在闪耀时本身都拥有相同的亮度，而且非常明亮，足以在更加遥远得多的距离上被我们看见。

这些研究者测量了19个邻近星系中的大约2400颗造父变星，并同时比较了两类量天尺的视亮度，从而精确测定了Ia型超新星的真实亮度。然后，利用这一校准后的结果，他们又计算了遥远星系中大约300颗Ia型超新星的距离。

“为了测定哈勃常数，我们既需要用造父变星来测定包含Ia型超新星的邻近星系的距离，也需要用300颗更遥远的Ia型超新星来测定它们所属的那些遥远星系的距离。”菲利潘科说，“这篇论文专注于那19个邻近星系，确实非常非常好地测定了它们的距离，结果的不确定度很小，对那些不确定度也有了透彻的了解。”

天文学家利用哈勃空间望远镜测量了造父变星的距离，从而校准了它们的真实亮度，使得它们能够被用作宇宙量天尺，去测量遥远得多的其他星系的距离。这种测距方法要比传统的视差法更加精确。图片来源：NASA/ESA/A. Feild [STScI]/A. Riess [STScI/JHU]

校准造父变星

利用位于夏威夷的10米口径凯克I望远镜，菲利潘科的团队还测量了包含Ia型超新星的邻近星系中造父变星位置附近气体的化学丰度。这让他们改善了测定这些星系距离的精确度，从而更准确地校准了Ia型超新星的峰值光度。

菲利潘科说，“在测定宇宙膨胀速率及准确评估结果的不确定度大小方面，我们已经做到了世界第一。然而，我们发现，从对早期宇宙的观测中推测得出的膨胀速率，似乎跟我们测得的膨胀速率不太一致。这表明，我们对宇宙物理学的了解缺失了某一重要环节。”

里斯说，“如果我们知道宇宙最初的成分，比如暗能量和暗物质，并且我们的物理学是正确的，那么你就可以从对大爆炸不久之后早期宇宙的测量结果中，利用我们对于宇宙的了解，去预言今天的宇宙应该膨胀得有多快。然而，如果这一差异被证明属实的话，或许我们就还没有正确地理解宇宙，而没能理解的那部分改变了今天的宇宙学常数应有的大小。”

如何才能解释这一差异呢？有可能暗能量的强度随宇宙不断扩张而变得越来越强，也有可能存在一类全新的亚原子基本粒子——速度接近光速、被称为“暗辐射”的一类粒子。除此之外，还有一种可能的解释是，暗物质拥有某些怪异到出人意料的属性。暗物质是宇宙的“骨架”，正是在暗物质的框架之上，星系才能构建起今天我们看到的宇宙大尺度结构。

研究团队还将继续利用哈勃空间望远镜来进一步改善对哈勃常数的测量精度，他们的目标是把不确定度精确到1%以内。欧洲空间局盖亚卫星（Gaia）之类的望远镜，和未来的韦布空间望远镜（JWST）及大视场红外空间望远镜（WFIRST），也将帮助天文学家更好地测量宇宙的膨胀速率。

相关研究论文将发表在最新一期的《天体物理期刊》（the Astrophysical Journal）上。（编辑：Steed）