宇宙膨脹速度 測定約74公里每秒(圖)

藝術示意圖：正在軌道上工作的美國宇航局斯皮策空間望遠鏡。這臺工作在紅外波段的望遠鏡近期給出了迄今最精確的宇宙膨脹測量數據。(NASA)

量天尺：造父變星擁有獨特的周光關係，被天文學家們稱作「宇宙標準燭光」。正是藉助這些量天尺的幫助，我們得以以更高的精度對宇宙膨脹速率進行測量。(Reuters)

據英國《每日郵報》報導，天文學家們最近給出了有關宇宙膨脹速度迄今最為精確的測量值。一個科學家小組使用美國宇航局斯皮策空間望遠鏡進行的最新測量顯示，宇宙的膨脹速度約為46英里(74公里)每秒·每百萬秒差距(更精確的數值為：74.3 ± 2.1 (km/s)/Mpc)。

美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)在上世紀初首先通過大量細緻的觀測發現宇宙正處於不斷膨脹之中，並且這種膨脹自從宇宙誕生以來就已經開始了。

根據目前主流的科學認識，科學家們認為宇宙是在大約137億年前的一次大爆炸中誕生的，而既然是一次劇烈的膨脹過程，那麼測算出其膨脹的速度將是至關重要的，這一數值就被稱為「哈勃常數」，一般在物理學中都會用大寫的H來表示，這一數值對於確定宇宙的年齡和大小將是極端關鍵的。

斯皮策空間望遠鏡工作在波長較長的紅外波段，而不是可見光波段。其最新的測量數據將此前由哈勃空間望遠鏡進行的一項類似觀測的精確度提升了3個數量級，將該數值的不確定性範圍降低至3%以內，這是對於宇宙學測量領域的一次重大飛越。天文學家們表示，本次最新精確化的這一數值是74.3 ± 2.1 (km/s)/Mpc，其中1百萬秒差距約相當於300萬光年。

麥克·沃納(Michael Werner)是斯皮策項目科學家，來自美國宇航局加州噴氣推進實驗室(JPL)。他說：「此次斯皮策望遠鏡再次完成了一項本不屬於它的工作。在此之前，它通過對系外行星大氣層的研究讓我們大吃一驚，而這一次，它竟然成為了一臺研究宇宙學的利器。」

由這項發現獲得的數據，加上此前來自美國宇航局威爾金森微波各向異性探測器已經發布的數據，兩者相結合，科學家們希望藉此進行一次獨立的暗能量測量。暗能量是宇宙中最大的未解謎團之一。

在上世紀90年代末，天文學家們驚駭地發現我們所處的宇宙事實上正處於加速膨脹之中。這是非常反常的現象，由於宇宙中充滿了物質和暗物質——它們都具有質量，因此也都具有引力。在這些引力的作用下宇宙即便處於膨脹之中，也應該會逐漸減速或者至少保持平衡但是絕不應該會加速膨脹。為了搞清楚這個問題的答案，天文學家們不得不構思出了一種「未知的神秘力量」，它獨自對抗整個宇宙中所有物質和暗物質所產生的引力，甚至將它們全部擊敗並推動宇宙加速膨脹。由於科學家們對這種神秘的強大力量一無所知，因此人們便賦予它一個理所當然的名字：「暗能量」。本次研究的第一作者，美國卡耐基天文臺主管溫迪·弗裡德曼(Wendy Freedman)說：「這是一個巨大的謎團。」

她說：「很高興我們可以使用斯皮策空間望遠鏡進行此類觸及到宇宙學最基本問題層面的研究項目，也就是宇宙在目前階段下精確的膨脹速率，並從另一個角度測量暗能量在宇宙中所佔的比例。」

由於所觀測的波段是在紅外波段，斯皮策空間望遠鏡可以將此前哈勃空間望遠鏡在可見光波段進行的觀測結果向前推進一步，因為相比哈勃，斯皮策望遠鏡的視野可以穿透塵埃和氣體雲，更好地對一類被稱作「造父變星」的恆星進行觀測。

這類變星是一種脈動變星，由於它們的亮度和光變週期之間具有明顯的特點，它們常常被天文學家們用作量天尺：只要找到距離已知的這類變星，然後觀察它們離開我們的速度，我們便可以測量出宇宙的膨脹速度。

造父變星之所以可以當做量天尺來使用，是因為它們到地球之間的距離是可以直接測量的。1908年，美國著名的女天文學家裡維特(Henrietta Leavitt)注意到，一類被稱作造父變星的恆星，其亮度和光變週期之間存在嚴格的相關，這就是著名的「周光關係」。

為了進一步說明為何這種性質非常重要，請想像這樣一個場景：一個人正逐漸離你遠去，他的手上拿著一根蠟燭。隨著這個人漸行漸遠，他手上的蠟燭燭光也會隨之變暗，那麼我們只要直接測量燭光的亮度，就可以得到蠟燭到我們所在地的距離遠近。對於宇宙中的造父變星情況也是一樣的，它們被譽為宇宙中的「標準燭光」。只要測量它們在天空中的亮度，天文學家們就能測算出它們的距離。

斯皮策望遠鏡在銀河系中挑選出10顆，並在鄰近的大麥哲倫星系中挑選出80顆造父變星進行觀測。通過這些觀測，研究小組得以以更高的精度測量出它們的亮度，並以此計算出它們的實際距離，藉此改進先前對這一課題研究所作出的測量值。有了這些數據，天文學家們便可以更進一步，沿著宇宙度量尺的階梯往上邁出一步，去估算整個宇宙的膨脹速度。

弗裡德曼女士表示：「僅僅在10年之前，要想在同一句句子中使用‘精確’和‘宇宙學’兩個單詞都是不可想像的，那時候我們對宇宙的尺寸和年齡的認知都非常模糊，誤差在兩個數量級以上。」不過她說：「但是我們現在所談論的已經是幾個百分比的精確性了，這真是令人難以置信。」有關這一研究成果的論文將會於近期發表在《天體物理學雜誌》上。