宇宙学核心的分歧
关于宇宙是否在膨胀，并无严肃争议。争论在于膨胀速度有多快。现代天文学中最受信赖的两种测量技术给出的数值始终无法吻合，研究人员将这一僵局称为哈勃张力。从绝对数值看，这一差异很小，但它足够顽固，已成为宇宙学的核心问题之一，因为独立测量之间若存在真实冲突，可能意味着标准模型遗漏了某些东西。
哈勃常数是天文学家用来表示膨胀率的数值。它以埃德温·哈勃命名，这位美国天文学家在20世纪20年代首次证明宇宙正在膨胀。一个世纪后，该常数的数值仍存争议——不是因为仪器粗糙，而是因为用于提取它的两类方法源自截然不同的物理领域。
路径一：解读余辉
第一种方法是间接的。它采用标准宇宙学模型，并将其拟合到宇宙微波背景——大爆炸的余辉——中微弱的涨落图案上。普朗克等空间望远镜已极为精确地绘制了古老光中的这些微小变化。将该图案输入模型，得出的膨胀率约为每百万秒差距每秒67公里。
对天文学之外的读者来说，这些单位可能难以理解。秒差距是距离单位，约等于3.26光年，即约30.9万亿公里；百万秒差距即一百万秒差距。因此，这一预测描述的是给定宇宙距离增长的速度。
路径二：观测爆炸的恒星
第二种方法更直接，也更接近哈勃在20世纪20年代所做的工作。它通过追踪遥远星系中超新星的亮度，来测量这些星系远离银河系的速度。Ia型超新星充当“标准烛光”，因为无论它们出现在何处，其光度都被认为相同，这使天文学家能够用视亮度作为距离标记。这条路径得出的膨胀率高于宇宙微波背景路径。
两个答案之间的差距就是哈勃张力。这正是令宇宙学家不安的那类差异：测量已被反复改进，但分歧并未消失。
从另一个谜题借来的线索
研究人员在The Conversation撰文、并由ScienceDaily报道，探讨了一个为完全独立的谜题——宇宙磁场的起源——提出的想法，是否也可能为哈勃张力提供线索。他们近期发表的工作检验了，大爆炸后最初时刻留下的极弱磁场，是否有助于解释膨胀率测量之间的冲突。
这里所说的磁场，不是冰箱贴那种熟悉的磁性，甚至也不是如今贯穿星系的广阔磁场。它们是原初的：产生于宇宙历史的最初瞬间，当时宇宙远比实验室中可复现的任何状态更致密、更炽热、能量更高。它们的强度会极其微小，但其影响或许并非可以忽略。
微弱磁性如何改变一个宇宙数值
所提出的机制通过氢起作用。详细模拟表明，这些原初磁场可能改变了早期宇宙中氢的形成方式。这一点很重要，因为氢的形成并非无关紧要的细节——它塑造了婴儿宇宙中普通物质与光相互作用的方式，从而在宇宙微波背景上留下印记。
改变氢的故事，古老余辉中的图案就会改变。改变图案，由此推断出的膨胀率也会改变。原则上，这一序列提供了一种方法，可以在不放弃底层模型、也不丢弃数十年超新星观测的情况下，调和间接估计与直接估计。
这是一个微妙的杠杆，而这正是其吸引力的一部分。早期宇宙物理中的微小调整，可以传播到那些一直难以协调的测量之中。
为何模拟支撑着论点
该论点依托于详细的数值建模，而非单一观测。模拟让研究人员能够追踪在氢形成时期存在磁场时会发生什么，然后将后果推演到如今望远镜观测到的微波背景。一个思辨性的早期宇宙想法，就是这样变成关于数据的可检验主张。
这项工作还指向更广泛的回报：一扇窥视远超地球可及能量尺度的物理学之窗。粒子加速器无法达到大爆炸后瞬间所盛行的条件。如果原初磁性在宇宙微波背景上留下了可测量的印记，那么天空本身就成了实验。
这项研究解决了什么——又没有解决什么
这是一种提出的解释，而非定论。哈勃张力仍未解决，研究人员将其工作定位为探索这一被忽视的成分是否可能重要。该想法的力量在于，它连接了两个通常被分开处理的谜题，并且其预测锚定在可测量的信号上。悬而未决的问题是，这一效应是否足够大、足够独特，以至于能在真实数据中被识别出来，而不仅仅是从模拟中推断。
这个问题是可以回答的。随着对宇宙微波背景和近邻超新星的测量越来越精确，哈勃常数的两个估计要么趋同，要么进一步分化。如果它们仍然分离，像原初磁性这样的解释就会从思辨变为必要。如果它们最终一致，压力就会缓解——而谜题则回归为测量误差的问题。
为何这一张力不止关乎数值
宇宙学的标准模型极为成功，正因如此，一个持续存在的内部矛盾才会引起如此多的关注。一个能解释余辉、轻元素丰度和宇宙大尺度结构的模型，也应当能够说明它膨胀得有多快。当两条通往该数值的严谨路径不一致时，最可能的解释都令人不快：要么某一测量存在微妙缺陷，要么模型不完整。
原初磁场提案属于第二类。它表明，这一差距可能根本不是误差，而是标准图景遗漏的物理学的指纹——一种活跃得如此之早、以至于其效应在其他方面都被隐藏起来的成分。
值得关注什么
- 对宇宙微波背景更严格的约束，这将使膨胀率的间接估计更加精确。
- 持续进行的超新星巡天，这将改进直接测量，并确定差异是否持续存在。
- 模拟工作，检验早期磁场能否足够改变氢的形成，从而留下可探测的印记。
- 对原初磁性的独立探测，这将表明此类磁场是否以所需强度存在。
这些步骤中没有哪一步能单独解决哈勃张力。它们合在一起，将决定来自宇宙最初时刻的一丝磁性究竟是答案的一部分——还是这个已学会期待惊喜的领域中又一个引人入胜的可能性。
本文基于Science Daily的报道。阅读原文。
Originally published on sciencedaily.com
