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我們可能生活在一個巨大泡泡裡? 新研究:宇宙膨脹快結束且已開始收縮

我們可能生活在一個巨大泡泡裡? 新研究:宇宙膨脹快結束且已開始收縮
天文學家於 2016 年 3 月 3 日表示,他們利用哈伯太空望遠鏡發現了一個在大爆炸後僅 4 億年才形成的星系,這是迄今為止發現的最遙遠的星系。   圖:達志影像/路透社

以往的觀測數據顯示宇宙不僅在膨脹,而且在「加速膨脹」,這使得很多科學家認為宇宙這個狀態會持續很長的時間。然而,一些科學家意識到,也許情況不是這樣,宇宙的膨脹階段很快就要到盡頭,甚至要開始收縮。不過,此處提及的「很快」是指宇宙時間尺度上的概念,根據這份新研究的計算顯示,宇宙將在1億年後停止膨脹。「這相對於宇宙的年齡來說,的確是不遠的將來。」

宇宙膨脹很快結束並開始收縮?

大霹靂(Big Bang),是描述宇宙的起源與演化的宇宙學模型,這一模型得到了當今科學研究和觀測最廣泛且最精確的支持。宇宙學家通常所指的大霹靂觀點為「宇宙是在過去有限的時間之前,由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的。」根據 2015 年普朗克衛星所得到的最佳觀測結果,宇宙大霹靂距今 137.99 正負 0.21 億年,並經過不斷的膨脹到達今天的狀態。

而大爆炸理論是現在最主流的天文學理論,描述了宇宙誕生的情況。這個理論對於宇宙將來怎麼發展、怎樣結束也有一些猜測,但是比宇宙誕生的部分粗糙得多。該理論稱,大爆炸之後,在暗能量的作用下,宇宙一直處於加速膨脹的狀態。對於未來,大致有三種模型。

第一種模型認為宇宙將一直加速膨脹;第二種模型認為會在將來某個不確定的時間點開始減慢膨脹的速度,這很可能在很久以後。該研究鑽研的是第三種模型,認為宇宙膨脹的加速度已經在減小。這份研究把宇宙膨脹的過程比作一輛從交通燈起步的汽車,司機一腳深踩油門,但是後來在某個時候放鬆了一些。這導致宇宙在一開始膨脹速度是最快的,但是後期加速度逐漸變小。在這個情形下,最終宇宙膨脹的加速度將會消失,到了某個時間點,宇宙的膨脹趨於穩定,再後來它膨脹速度開始減慢,最終將停止膨脹,並開始收縮。

這份研究 4 月 5 日發表於美國國家科學院院刊(PNAS)。而該理論過去有人提出過,美國宇宙學家斯坦哈特(Paul Steinhardt)就是支持此理論的活躍學者之一,他的這份新研究在此基礎上進行了計算,提出了膨脹加速度停止和開始收縮的兩個時間點,發現原來宇宙「很快」就要停止膨脹了。此外,這個名為暗能量(dark energy)驅動慢收縮CDM模型(QDSCCDM)的計算顯示,在不到1億年後,宇宙膨脹的加速度將消失,而1億年還不到宇宙現在年齡的百分之一。「之後,從這個階段再到開始收縮之間大約再花 1 億年的時間。」

宇宙正在以超乎我們預期的速度膨脹

此前,哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)的測量結果顯示,宇宙膨脹的速度比科學模型預測的還要更快,「這暗示宇宙可能受到某種未知成分影響。」根據科學家對恆星和星系的多次觀測,發現宇宙膨脹的速度似乎比我們最佳的宇宙模型所預測的還要更快。跟這個謎題有關的證據已持續積累多年,一些研究人員甚至認為這是宇宙學領域一項迫在眉睫的危機。

而一群科學家利用哈伯太空望遠鏡的觀測數據彙編出巨大的新資料庫。這些科學家發現,這種差異為偶然的機率只有百萬分之一。換句話說,目前看來更有可能的狀況是,宇宙中仍有些天文學家尚無法確認的基本成分(甚至一些已知成分也可能產生出乎意料的影響)。對此,約翰霍普金斯大學的天文學家黎斯(Adam Riess)領軍這項最新的差異研究,他指出,「宇宙似乎帶給我們許多驚喜,這是件好事,因為這能幫助我們更深入理解宇宙。」

該謎題稱為「哈伯衝突」(Hubble tension),以天文學家哈伯(Edwin Hubble)為名。他在 1929 年發現離我們愈遠的星系,遠離的速度愈快。這項觀測讓我們目前的宇宙概念成為「宇宙起源自大霹靂後便不斷地膨脹。」

研究人員主要使用兩種方式來測量宇宙目前的膨脹速度:測量鄰近恆星的距離,及測繪可追溯到新生宇宙的微弱光輝。在超過 130 億年的宇宙歷史中,這兩種方法讓我們得以測試對宇宙的理解。這些研究還發現了一些關鍵宇宙成分,像是「暗能量」,科學家認為這種神祕的力量是推動宇宙加速膨脹的動力。不過,這兩種方法對當前宇宙膨脹速度所做出的計算約有 8 %的差異。這個差異聽起來可能不多,但若這個差異確實存在,那就代表宇宙現在的膨脹速度甚至超越了暗能量所能解釋的速度「這顯示我們對宇宙的理解出現了漏洞。」

以往的觀測數據顯示宇宙不僅在膨脹,而且在「加速膨脹」,這使得很多科學家認為宇宙這個狀態會持續很長的時間。

然而,一些科學家意識到,也許情況不是這樣,宇宙的膨脹階段很快就要到盡頭,甚至要開始收縮。不過,此處提及的「很快」是指宇宙時間尺度上的概念,根據這份新研究的計算顯示,宇宙將在1億年後停止膨脹。「這相對於宇宙的年齡來說,的確是不遠的將來。」

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