宇宙膨脹的速度比理論預測的要快——物理學家正在尋找新的想法來解釋這種不匹配 _宇宙

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝的遙遠星系。(圖片來源:美國國家航空航天局、歐空局、加空局和STScI)
據美國太空網（瑞安·基利）：本文原載于對話會。該出版物向Space.com的“專家之聲:專欄和見解”投稿。
Ryan Keeley是加州大學默塞德分校的物理學博士后學者。
天文學家幾十年前就知道宇宙正在膨脹。當他們用望遠鏡觀察遙遠的星系時，他們看到這些星系正在遠離地球。
對天文學家來說，星系離我們越遠，它發出的光的波長就越長。星系離得越遠，它的光就越向光譜紅色一側的更長波長偏移——因此“紅移”越高。
因為光速是有限的，很快，但不是無限快，看到遠處的東西意味著我們在看它過去的樣子。對于遙遠的高紅移星系，我們看到的是宇宙處于年輕狀態時的星系。所以“高紅移”對應宇宙早期，“低紅移”對應宇宙晚期。
但是隨著天文學家對這些距離的研究，他們發現宇宙不僅僅是在膨脹——它的膨脹速度正在加快。這個膨脹速度甚至比主流理論預測的還要快，讓像我這樣的宇宙學家感到困惑，并尋找新的解釋。
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暗能量和宇宙常數
科學家稱這種加速的來源為暗能量。我們不太確定是什么驅動了暗能量，或者它是如何工作的，但我們認為它的行為可以用宇宙常數來解釋，宇宙常數是時空的一個屬性，有助于宇宙的膨脹。
阿爾伯特·愛因斯坦最初提出了這個常數——他在他的廣義相對論中用λ標記它。有了宇宙常數，隨著宇宙膨脹，宇宙常數的能量密度保持不變。
想象一個裝滿粒子的盒子。如果盒子的體積增加，粒子的密度就會降低，因為它們會散開占據盒子的所有空間。現在想象同樣的盒子，但是隨著體積的增加，粒子的密度保持不變。
好像不太直觀吧？宇宙常數的能量密度不會隨著宇宙的膨脹而降低，這當然非常奇怪，但是這個性質有助于解釋加速膨脹的宇宙。
宇宙學的標準模型
現在，宇宙學的主導理論或標準模型被稱為“CDM” 。Lambda表示描述暗能量的宇宙常數，CDM代表冷暗物質。這個模型描述了宇宙后期的加速以及早期的膨脹速率。
具體來說，Lambda CDM解釋了對宇宙微波背景的觀察，宇宙微波背景是宇宙在大爆炸后約30萬年處于“炎熱、致密狀態”時微波輻射的余輝。使用測量宇宙微波背景的普朗克衛星進行的觀察，使科學家們創建了Lambda CDM模型。
將Lambda CDM模型擬合到宇宙微波背景中，物理學家可以預測哈勃常數的值，哈勃常數實際上不是一個常數，而是描述宇宙當前膨脹率的測量值。
但是Lambda CDM模型并不完美。科學家通過測量到星系的距離計算出的膨脹率，與Lambda CDM中描述的使用宇宙微波背景的觀測結果的膨脹率并不一致。天體物理學家稱這種分歧為哈勃張力。

宇宙膨脹的速度比流行的宇宙學模型預測的要快。(圖片鳴謝:美國國家航空航天局)
哈勃張力
在過去的幾年里，我一直在研究如何解釋這種哈勃張力。這種緊張可能表明Lambda CDM模型是不完整的，物理學家應該修改他們的模型，或者它可能表明研究人員是時候提出關于宇宙如何工作的新想法了。對于物理學家來說，新想法總是最令人興奮的事情。
解釋哈伯張力的一個方法是，在宇宙的晚期，藉由改變低紅移下的膨脹率，來修正蘭姆達CDM模型。像這樣修改模型可以幫助物理學家預測什么樣的物理現象可能導致哈勃張力。
例如，也許暗能量不是一個宇宙常數，而是引力以新的方式發揮作用的結果。如果是這樣的話，暗能量將隨著宇宙的膨脹而演化——而宇宙微波背景(它顯示了宇宙在誕生后幾年的樣子)將對哈勃常數有不同的預測。
但是，我的團隊的最新研究發現，物理學家不能僅僅通過改變宇宙后期的膨脹率來解釋哈勃張力——這一整類解決方案都存在不足。
為了研究什么類型的解決方案可以解釋哈勃張力，我們開發了統計工具，使我們能夠測試改變宇宙后期膨脹率的整個模型類別的可行性。這些統計工具非常靈活，我們用它們來匹配或模擬不同的模型，這些模型可能符合對宇宙膨脹率的觀察，并可能為哈勃張力提供一個解決方案。
我們測試的模型包括進化的暗能量模型，暗能量在宇宙的不同時間有不同的作用。我們還測試了相互作用的暗能量-暗物質模型，其中暗能量與暗物質相互作用，以及修改的重力模型，其中重力在宇宙中的不同時間有不同的作用。
但是這些都不能完全解釋哈勃的張力。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。
這篇文章是在知識共享許可下轉載自《對話》。