一张早期宇宙的新地图强化了天文学中一个长期存在的难题:宇宙膨胀的速度有多快。在智利阿塔卡马沙漠使用望远镜收集的数据支持了先前对宇宙年龄、几何结构和演化的估计。但这一发现与星系彼此分离速度的测量结果相冲突,并预测宇宙膨胀的速度应该比目前观察到的慢得多。

阿塔卡马宇宙学望远镜(ACT)绘制了宇宙微波背景(CMB),即大爆炸的辐射“余辉”。这些发现基于2013年至2016年收集的数据,于7月15日公布两张预印本在arXiv存储库中。

CMB辐射来自空间的各个方向,但并不完全均匀:它在天空中的变化表明,早期宇宙各区域的温度略有不同,相差不到0.03开尔文。在过去二十年中,宇宙学家利用这些微小的变化和他们称之为标准模型的既定理论来计算宇宙结构和演化的一些关键特征,包括其年龄和物质密度。

宇宙学家还利用这些变化来预测宇宙目前的膨胀速度,这一测量方法被称为哈勃常数,是美国天文学家埃德温·哈勃之后的一种测量方法。

欧洲航天局的普朗克望远镜绘制了整个宇宙微波背景辐射天空它的观测结果被认为是CMB宇宙学的黄金标准。ACT的数据现在证实了普朗克的发现,并为哈勃常数提供了一个非常相似的值。

但这两个结果都与哈勃常数的直接测量结果不符——这种差异被称为哈勃常数张力。天文学家利用特定类型恒星的亮度和超新星爆炸(统称为标准烛光)来计算膨胀率,发现星系彼此冲开的速度比CMB地图预测的要快大约10%。

许多研究人员曾希望,随着技术变得越来越精确,这种差距会缩小。相反,缩小每种类型研究的误差条只会使不一致性更加显著。

负责数据分析的英国加的夫大学宇宙学家Erminia Calabrese说,ACT是第一个可能挑战普朗克结果的地面CMB实验。该望远镜的设计和位置正好位于热带地区,与其他地面或气球载望远镜相比,它能够绘制更多的CMB天空图,而地面或气球载望远镜通常仅限于较小的区域。

卡拉布雷斯说,绘制大规模的天空图对于计算宇宙膨胀的关键参数至关重要。新泽西州普林斯顿大学的首席研究员苏珊娜·斯塔格斯(Suzanne Staggs)说,该法案的另一个优点是,2013年的升级使其能够精确测量CMB辐射的极化。偏振数据揭示了前景中的星系如何影响CMB的运行,并有助于使宇宙学测量更加精确。

卡拉布雷斯说:“这是我们第一次有两组独立测量的数据集,它们的精度足以进行比较。”。作为普朗克团队的一员,她说,当发现两个实验的哈勃常数预测值都在0.3%以内时,她感到欣慰。

普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt)说,ACT和普朗克就哈勃常数达成的协议是“一个真正的重大里程碑”。他补充道:“新数据及其分析的质量给我留下了深刻的印象。”。

“有独立的检查总是好的,我认为这确实提供了它,”伊利诺伊州芝加哥大学的天文学家、标准烛光的先驱温迪·弗里德曼说。马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的天文学家亚当·里斯(Adam Riess)领导了许多关于标准蜡烛的尖端工作,他说,ACT数据与普朗克的协议是“令人放心的”,是“对实验者工作质量和细心程度的证明”。

但是哈勃常数上的张力仍然存在。由多个团队开发的技术,包括弗里德曼领导的一个,可以帮助解决这个问题。斯坦哈特认为,随着实验者完善他们的方法,测量结果最终会趋于一致。

但里斯说,也许是宇宙学的标准模型错了。“我的直觉是,有一些有趣的事情正在发生。”

这篇文章是经允许转载的第一次出版2020年7月15日。