隨著人類對(duì)宇宙的了解越發(fā)深入，不斷出現(xiàn)了用現(xiàn)有的理論無法解釋的問題，它們就像是宇宙向人類發(fā)出的“挑戰(zhàn)書”。當(dāng)我們仰望星空時(shí)，那些看似空無一物的黑暗里，藏著宇宙最古老的秘密——以及最棘手的謎題。從微波背景里的 “神秘冷斑”，到推動(dòng)宇宙加速膨脹的 “隱形力量”，再到測(cè)量膨脹速度時(shí)出現(xiàn)的 “雙重答案”，這些謎題像宇宙留下的思考題，讓全球天文學(xué)家爭(zhēng)論不休。

一、宇宙背景里的 “神秘冷斑”

當(dāng)我們抬頭仰望星空，會(huì)覺得沒有星星和星系的背景部分看上去漆黑一片。但實(shí)際上，背景宇宙并不是完全黑暗的，而是閃著微光，但這不是人眼可以看到的可見光，而是與微波爐和手機(jī)所使用的電磁波相同的電磁波（微波）抵達(dá)了地球，這稱為“宇宙微波背景輻射”（CMB）。實(shí)際上，宇宙微波背景輻射中存在比周圍異常寒冷的神秘區(qū)域，研究人員將其稱為“冷斑”。

■ CMB：宇宙大爆炸的遺痕

我們要聊 “冷斑”，先得了解下宇宙微波背景輻射（CMB）。追蹤溯源，CMB是宇宙大爆炸38萬年后，溫度約3000K時(shí)期的宇宙自身的熱輻射，也就是熾熱大爆炸的遺痕。在CMB從這一時(shí)期的宇宙抵達(dá)如今的地球期間，宇宙發(fā)生了膨脹，因此，CMB的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，變成2.725 K的熱輻射遍布今天的宇宙。

根據(jù)到來的方向不同，CMB會(huì)有±1/100000℃左右的溫度起伏。這個(gè)極小的“不均勻”表明，宇宙初期的物質(zhì)存在微小的非均勻性?？茖W(xué)家對(duì)此進(jìn)行了觀測(cè)而繪制了CMB全天圖。

 圖片是ESA在2009年發(fā)射的觀測(cè)衛(wèi)星“普朗克”獲取的全天CMB溫度分布。紅色部分表示高于平均溫度，藍(lán)色部分表示低于平均溫度。此外，這張圖的右下方（波江座附近）存在“冷斑”。 

宇宙背景探測(cè)器（COBE）、威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）、普朗克（Planck）這3顆探測(cè)衛(wèi)星曾對(duì)CMB進(jìn)行過精密測(cè)量。通過精確測(cè)量溫度起伏，就能弄清楚宇宙的年齡（138億年）、宇宙的組成以及宇宙的膨脹速度等。

仔細(xì)觀察這個(gè)全天圖，就會(huì)發(fā)現(xiàn)右下角的邊緣附近有非常藍(lán)（低溫）的區(qū)域。這一區(qū)域稱為“冷斑”，比平均溫度最多低了14/100000℃，這種情況偶然出現(xiàn)的概率是1.85%。

那么，為什么存在溫度如此低的區(qū)域？

一個(gè)非常有說服力的說法是，這個(gè)方向上正好有一個(gè)幾乎沒有星系的巨大“超級(jí)空洞”，CMB的微波穿過超級(jí)空洞時(shí)，波長(zhǎng)略微變長(zhǎng)，看上去就表現(xiàn)為溫度更低的熱輻射。但實(shí)際上，這個(gè)方向上是否存在超級(jí)空洞，至今并無定論。

也有研究人員認(rèn)為。這個(gè)冷斑是在大爆炸后的“暴脹”時(shí)代，從我們生活的宇宙分離出去的另一個(gè)平行宇宙的痕跡。冷斑之謎中是否隱藏著未知的現(xiàn)象？還是說純屬偶然？今后的研究將備受關(guān)注。

二、遍布整個(gè)宇宙的“暗能量”之謎

宇宙的謎題從未單一出現(xiàn)。當(dāng)我們盯著冷斑困惑時(shí)，天文學(xué)家早已被另一個(gè)更宏大的問題難住：宇宙不僅在膨脹，還在加速膨脹。為了解釋加速膨脹這一事實(shí)，科學(xué)家引入了“暗能量”。

 圖片描繪了宇宙膨脹的情形。如果宇宙膨脹，宇宙中星系之間的距離就會(huì)越來越遠(yuǎn)。比利時(shí)宇宙物理學(xué)家喬治·勒梅特（1894～1966）和美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃（1889～1953）分別在1927年和1929年發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹。之后，科學(xué)家于1998年發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹，并將引起加速的源頭稱為“暗能量”。 

“暗能量”的本質(zhì)是什么？研究發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹的速度在不斷加快，而暗能量是引發(fā)這種加速膨脹的假想能量，但暗能量的本質(zhì)至今仍不明確。

 宇宙所有能量的構(gòu)成 

目前，世界各國(guó)都在開展旨在揭示暗能量真相的項(xiàng)目。例如，大量觀測(cè)宇宙中各種距離（時(shí)期）的星系和星系團(tuán)，從而掌握普通物質(zhì)和暗物質(zhì)的量及分布是如何隨著時(shí)間而變化的，由此探索暗能量的性質(zhì)。

三、膨脹速度的 “雙重答案”

如果說暗能量是“為什么加速”的謎題，那哈勃常數(shù)的矛盾，就是“膨脹速度到底多快”的直接爭(zhēng)議?！肮?shù)”表示宇宙現(xiàn)在的膨脹速度，根據(jù)推導(dǎo)方法不同，它有2個(gè)值。

如果宇宙正在膨脹，那么，離地球越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離地球而去的速度就越快，這稱為“哈勃-勒梅特定律”，其比例常數(shù)H0就是哈勃常數(shù)。哈勃常數(shù)越大，意味著現(xiàn)在的宇宙膨脹得越快。哈勃常數(shù)主要有2種計(jì)算方法。

方法一：

實(shí)際測(cè)量星系的退行速度和距離，從而推導(dǎo)出哈勃常數(shù)，用這種方法算出的哈勃常數(shù)值大約是73；

方法二：

利用宇宙微波背景輻射（CMB）的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。CMB斑駁圖案的大小等反映了宇宙膨脹的程度，將CMB的觀測(cè)結(jié)果導(dǎo)入含宇宙學(xué)常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型（ΛCDM模型）就能得到宇宙的膨脹速度，用這種方法計(jì)算出的哈勃常數(shù)大約是67。

即使考慮到誤差，兩者也不一致，這成為現(xiàn)在觀測(cè)宇宙學(xué)的最大謎團(tuán)之一。為什么會(huì)這樣？科學(xué)家給出兩種可能：一種可能性是，通過觀測(cè)星系來計(jì)算哈勃常數(shù)時(shí)，星系距離中可能有未知的誤差；另一種可能性是，根據(jù)CMB計(jì)算哈勃常數(shù)所使用的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型存在某些問題。如果原因在于后者，則有可能涉及我們還不知道的新物理，因此，通過探究這一原因，也許會(huì)為物理學(xué)自身開辟新的前進(jìn)道路。

 圖源：pixabay 

從冷斑的神秘低溫，到暗能量的無形推力，再到哈勃常數(shù)的數(shù)值矛盾，宇宙的謎題總在提醒我們：人類對(duì)宇宙的了解，或許還不及冰山一角。但正是這些困惑，讓仰望星空的每一刻都充滿了期待 。畢竟宇宙的謎題，才是探索的意義。