过去的60亿年时间里宇宙的膨胀速度减缓了30%

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随着时间的推移，遥远的星系后退的速度越来越快。但从根本上来说扩张速度并没有加快。

在我们宇宙历史的最初几十亿年里，随着物质和辐射密度的下降，宇宙的膨胀率正在下降，遥远的星系从我们的星系中退缩的速度也在减慢。然而，在过去约 60 亿年里，遥远的星系一直在加速衰退，膨胀率虽然仍在下降，但并未趋向于零。

关键要点

• 自从大约 25 年前暗能量的观测证据变得强大和势不可挡以来，天文学家一直在谈论宇宙的加速膨胀。
• 这是真的，至少在某种意义上是这样：一个不受我们束缚的星系上，随着时间的推移，它会以越来越快的速度远离我们。
• 但是膨胀率本身，也称为哈勃常数/哈勃参数，根本没有加速或增加；相反它在下降。

整个科学史上最大的成就之一出现在 20 世纪末。在过去约 70 年里，天文学家努力测量宇宙的膨胀率，希望发现宇宙的构成并确定其最终命运。出乎意料的是，他们发现宇宙并不仅仅由物质和辐射组成，而实际上是由一种新奇的、意想不到的、仍然知之甚少的能量形式支配的：暗能量。它占当今宇宙总能量密度的 70% 左右，很快就出现了一个稍微不同的短语的同义词：宇宙的加速膨胀。

但事实证明，我们用哈勃常数（或更准确地说，哈勃参数）测量的宇宙膨胀率并没有加速，甚至根本没有增加；它实际上正在下降。这是怎么回事？

膨胀的宇宙是最具挑战性的概念之一，即使对于许多物理学、天体物理学和广义相对论专家来说也是如此。以下是正在加速和未加速的情况，以及扩张率的真实情况。

宇宙的预期命运（前三个插图）都对应于一个物质和能量共同对抗初始膨胀率的宇宙。在我们观察到的宇宙中，宇宙加速是由某种暗能量引起的，这是迄今为止无法解释的。如果你的扩张速度继续下降，就像前三种情况一样，你最终可以赶上任何事情。但如果你的宇宙包含暗能量，情况就不同了。

我们需要了解的第一件事是，当涉及到膨胀的宇宙时，我们究竟能够测量什么。我们实际上无法测量空间的这种固有属性；我们所能测量的只是膨胀的宇宙对我们从远处物体接收到的光有什么影响。我们观察到的光在一组特定的波长上具有特定的强度，我们的天文台和仪器可以进行优化以进行光谱分析：记录我们接收到的光量与我们观察到的波长之间的函数关系，即使是微小的差异。我们测量接收到的光，并尽可能精确地测量取决于我们。

因为我们知道构成发光（以及吸光）物体的原子和离子的特性，包括在这些束缚态中发生的特定量子跃迁，我们可以确定观察到的光的严重程度从发射它的静止框架“转移”。例如，当氢原子中的电子从第一激发态下降到基态时，它会发射出精确为 121.5 纳米的紫外光子。但是对于我们观察到的几乎每一个包含处于激发态的氢的物体，我们根本看不到 121.5 纳米处的发射（或吸收）线。

莱曼断裂特征的光谱识别，存在于所有四个超远星系中，并且很容易看到，JWST 识别的星系证实了它们的红移和距离。这使得前三个星系成为所有星系中距离最远、经光谱学证实的星系。莱曼断裂特征通常会产生紫外光子，由于光在其旅程中发生红移，因此可以从这些星系中很好地看到红外线。

该特征存在，并且在这些氢原子本身的静止框架中，光以精确的 121.5 纳米发射，因为物理定律不会因地点或时刻而改变。然而，有许多效应可以改变我们从最初发出光的原子观察到的光的特性。他们包括：

• 热效应，因为原子在有限温度下会随机全方向移动，导致发射（或吸收）线变宽，这取决于构成它们的原子的温度。
• 动力学效应，例如发出光的宿主星系的旋转，这也导致发光（或吸光）材料移动，但来自与热效应不同的物理机制。
• 引力效应，例如当你落入引力势阱时（即当光进入我们的本星系群、星系和太阳系时）蓝移到更短的波长，当你爬出引力势阱时红移到更长的波长。
• 特殊的速度效应，它编码单个物体相对于局部静止标准的运动，并且必须考虑到发射和观察位置，因为它们会导致影响光的观察波长的多普勒频移。
• 以及宇宙的膨胀，在光从它的起源点到它的最终目的地的整个过程中，它把所有波长的光拉伸得越来越大。

膨胀的宇宙

这个简化的动画展示了在不断膨胀的宇宙中，光是如何红移的，以及未绑定物体之间的距离是如何随时间变化的。随着时间的推移，物体之间的距离不是恒定的，膨胀的宇宙不具备时间平移不变性，其结果是能量在宇宙尺度上不守恒。随着很久以前发出的光经过数十亿年的传输，第一次到达我们的眼睛，越来越远的物体变得可见。即使在暗能量丰富的宇宙中也是如此。

对于彼此靠近的两个物体，前四种效应相对于第五种效应可能较大。然而，对于分离得足够好的物体，宇宙的膨胀成为迄今为止的主要影响；当我们测量来自一个非常遥远的物体的光时，由于宇宙膨胀的影响，观察到的红移（它始终是红移，而不是超过一定距离的蓝移）几乎是 100%。

这就是我们测量的内容：远处物体的亮度作为波长的函数，我们确定发生某些原子、分子和离子跃迁的波长，然后我们用它来推断远处物体的红移。对于比几亿光年更遥远的物体，我们可以合理地将约 100% 的红移归因于膨胀宇宙的影响。

宇宙中的每个元素都有自己独特的一组允许的原子跃迁，对应于一组特定的光谱线。我们可以在我们自己以外的星系中观察到这些线，但尽管模式相同，但我们观察到的线相对于我们用地球上的原子创建的线有系统地移动。当距离很大时，可以安全地估计大约 100% 的红移是由宇宙膨胀引起的。

现在，观察膨胀的宇宙的一种方法是考虑空间本身在膨胀，并且由于在整个旅程中的膨胀，穿过它的光的波长会拉伸。（因此，距离越远的物体行进的时间越长，它们的光线被拉伸得越多。）但另一种等效的理解方式是，远处的物体似乎正在以一定的速度远离我们。这就是为什么有时您会看到天文学家谈论遥远星系的红移，而有时您会看到他们谈论遥远星系的后退速度。无论哪种方式，测量结果都是相同的。

无论哪种方式，这就是您测量的内容（特定波长的光，显示了它相对于其发射的静止框架红移了多少）与推断的衰退速度之间的联系。如果你最初观察到的那个遥远的物体随着时间的推移开始越来越快地后退，我们会说这个物体正在加速远离我们；如果它的红移下降并且随着时间的推移退却得更慢，我们可以说该物体的退化正在减速。在 20 世纪的大部分时间里，宇宙学的主要目标之一是测量物体随时间加速或减速的速率。

这张插图显示了 JWST 的第一张深场图像中识别出的最遥远星系的光谱，以及对应于各种元素和离子的光谱线。光谱展示了光谱学揭示该物体无可争议的距离和红移的能力，这些技术正被用于识别 JWST 可探测到的最遥远的星系。

从实际的角度来看，这种测量几乎是不可能的。人类在宇宙尺度上出现的时间很短，实际上只有一个多世纪的时间，我们才有能力以任何准确度或精确度测量红移等事物。为了测量物体的红移（或衰退速度）如何随时间变化，您实际上需要在相隔数亿年或更长时间的多个时间点测量它。考虑到我们物种的寿命，这根本不可能。

但是有一个非常聪明的方法来解决这个问题。我们非常有信心地知道一些事情。

• 我们知道广义相对论在我们的宇宙所遵循的引力规则下运作得非常好。
• 我们知道，在最大的宇宙尺度上，宇宙在每个位置和所有方向上都是相同的。
• 我们知道宇宙在膨胀。
• 我们知道，从发射到被接收和吸收的那一刻，光总是以相同的速度传播——真空中的光速。

仅凭这些知识，我们就可以“弥补”我们只能看到宇宙历史的单一快照这一事实。

星系越远，它远离我们的速度越快，它的光看起来越红移。与膨胀的宇宙一起移动的星系，今天的光年数甚至比从它发出的光到达我们所用的年数（乘以光速）还要多。在具有暗能量的宇宙中，随着物体随着时间的推移移动得越来越远，它似乎以越来越快的速度远离我们。

我们可以利用一个技巧，而不是测量单个物体的红移（或衰退速度）如何随时间演变，并使用这些测量来确定这些物体在远离我们的运动中是加速还是减速。如果我们能够在不断膨胀的宇宙中从不同的距离收集到足够多的物体，我们就可以利用这样一个事实，即所有的光现在都到达了，但是来自每个单独物体的光已经在不断膨胀的宇宙中传播了不同的时间。在足够多的不同距离处有足够多的物体，我们已经非常巧妙地做到了这一点，并确定今天的宇宙是由以下部分组成的：

• 大约 0.01% 的辐射，它稀释为可见宇宙大小/尺度的四次方，
• 大约 4.99% 的正常（原子 + 中微子基）物质，稀释为宇宙大小/规模的三次方，
• 大约 27% 的暗物质，它也稀释为宇宙大小/尺度的三次方，
• 大约 68% 的暗能量不会稀释，而是保持恒定的能量密度。

无论今天的膨胀率是多少，结合你们宇宙中存在的任何形式的物质和能量，都将决定红移和距离与我们宇宙中河外物体的关系。迄今观测到的最远物体向我们发射的光已经传播了 135 亿年，现在距离我们超过 320 亿光年。通过测量宇宙中各种物体的红移和推断距离，我们可以找到独特的膨胀历史，使我们能够准确地重建宇宙的组成部分以及具体数量。

随着时间的推移，宇宙会膨胀：今天占据一定体积的空间区域明天会膨胀以占据更大的体积。它内部的物质和辐射具有恒定数量的粒子，但随着体积的增加，密度下降。暗能量是不同的。它具有恒定的能量密度，因此即使体积增加并且宇宙膨胀，它的密度也不会下降。

因为膨胀率总是与总能量密度（来自所有不同成分的总和）的平方根成正比，一个完全由辐射、正常物质和暗物质组成的宇宙最终会看到它的膨胀率下降到零，并且对应于一个遥远的星系，随着时间的推移，它离我们越来越慢，我们也会看到它的红移随着时间的推移而减少。

但在一个也有暗能量的宇宙中——我们的宇宙即使辐射、正常物质和暗物质密度降至零，暗能量密度也将始终保持相同的恒定值。因为常数的平方根仍然是常数，这意味着膨胀率不会下降到零，而只会下降到某个有限的、正的、大于零的值。

虽然随着宇宙体积的增加，物质（正常和黑暗）和辐射的密度变得更低，但暗能量，就像膨胀期间的场能一样，是空间本身固有的一种能量形式。随着在膨胀的宇宙中产生新的空间，暗能量密度保持不变。请注意，在右侧的小图中，辐射和物质密度如何随时间下降，但暗能量的密度保持不变。

今天，我们测量的膨胀率在 70 km/s/Mpc 左右，这意味着对于每百万秒差距（Mpc，或大约 326 万光年）的距离，该距离的物体会额外后退 70公里/秒。在一个没有暗能量的宇宙中，膨胀率有一天会一路下降到 0 km/s/Mpc，如果你随着时间的推移测量任何单个物体，它的衰退速度似乎会变慢。但在我们拥有暗能量的宇宙中，膨胀率只会降至最低 45 至 50 km/s/Mpc 之间。

换句话说，宇宙的膨胀率，即使是在具有暗能量的宇宙中，仍然总是随着时间的推移而减小。扩张速度没有加快；它实际上在缩小。不同的是它不收缩并趋近于零；它缩小并接近一个有限的、正的、非零的最小值。

想象一下在一个只剩下暗能量且膨胀率为 50 km/s/Mpc 的宇宙中会发生什么。一个从 10 Mpc 开始的物体将开始以 500 公里/秒的速度后退，这将它推向更远的距离。当距离为 20 Mpc 时，它将以 1,000 公里/秒的速度后退；当距离为 100 Mpc 时，它会以 5,000 公里/秒的速度后退；当距离为 6,000 Mpc 时，它会以 300,000 公里/秒（大约光速）的速度后退；当距离为 1,000,000 Mpc 时，它会以 50,000,000 公里/秒的速度后退。

当前（左）和早期（右）宇宙中的物质和能量含量。请注意今天暗物质和暗能量如何占主导地位，但正常物质仍然存在。在早期，正常物质和暗物质仍然很重要，但暗能量可以忽略不计，而光子和中微子也很重要。膨胀率由密度的实际值决定，而不是由饼图的分布决定。

很久以前，当所有的物质和辐射都聚集在一个小得多的空间中时，与物质和辐射密度相比，暗能量密度非常小。结果，在宇宙历史的最初几十亿年里，随着时间的推移，遥远的物体远离我们的速度减慢了（它们的红移也减少了）。但是当物质和辐射密度下降到某个阈值以下，并且暗能量密度成为总能量密度的足够大的一部分时，这些相同的物体再次加速远离我们，并且它们的红移增加。

总结

尽管膨胀率——也称为哈勃常数/参数仍在下降，但在过去约 60 亿年里，它一直在以足够慢的速度下降，以至于随着宇宙体积的增长，这些相同的遥远物体现在似乎在后退离我们越来越快；他们现在正以加速的方式远离我们。

宇宙在膨胀，膨胀率在下降，但并没有下降到零；它正在逐渐接近最终值，该值仅比当前值低约 30%。然而，随着时间的推移，每一个远离我们的物体都会以越来越快的速度后退。重要的是，这意味着每个星系的衰退速度都在加快，但膨胀速度本身却没有；相反它正在减少。