哈勃恒定张力之谜加深：韦伯太空望远镜接手测量宇宙的膨胀率

NASA 的 NIRCam（近红外相机）和哈勃的 WFC3（广角相机 3）的综合观测结果显示，螺旋星系 NGC 5584 距离地球 7200 万光年。 NGC 5584 的发光恒星中有称为造父变星的脉动恒星和 Ia 型超新星（一类特殊的爆炸恒星）。 天文学家使用造父变星和 Ia 型超新星作为可靠的距离标记来测量宇宙的膨胀率。 图片来源：NASA、ESA、CSA 和 A. Riess (STScI)

宇宙膨胀的速度，称为哈勃常数，是理解宇宙演化和最终命运的基本参数之一。 然而，在使用各种独立距离指标测量的常数值与根据大爆炸余辉预测的值之间存在一种称为“哈勃张力”的持续差异。

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜提供了新的能力来审查和完善这种紧张局势的一些最有力的观测证据。 来自约翰·霍普金斯大学和太空望远镜科学研究所的诺贝尔奖获得者 Adam Riess 介绍了他和同事最近利用韦伯观测来提高哈勃常数局部测量精度的工作。

宇宙测量的挑战

你是否曾经很难看到位于你视野边缘的标志？ 它说什么？ 这是什么意思？ 即使使用最强大的望远镜，天文学家想要读取的“迹象”也显得如此之小，以至于我们也很挣扎。

宇宙学家想要解读的标志是宇宙速度极限标志，它告诉我们宇宙膨胀的速度有多快——这个数字称为哈勃常数。 我们的星座被写入遥远星系的恒星中。 这些星系中某些恒星的亮度告诉我们它们距离我们有多远，因此这些光到达我们需要多长时间，而星系的红移告诉我们宇宙在这段时间内膨胀了多少，从而告诉我们 扩张率。

该图说明了美国宇航局哈勃和韦伯太空望远镜的综合能力，可以确定到一类特殊变星的精确距离，该变星用于校准宇宙的膨胀率。 这些造父变星出现在拥挤的星场中。 周围恒星的光污染可能会使造父变星亮度的测量不太精确。 韦伯更清晰的红外视觉使造父变星目标能够更清晰地与周围的恒星隔离，如图右侧所示。 韦伯数据证实了哈勃望远镜 30 年来对造父变星观测的准确性，这些观测对于建立测量宇宙膨胀率的宇宙距离阶梯的底部梯级至关重要。 左边，NGC 5584 出现在韦伯 NIRCam（近红外相机）和哈勃广角相机 3 的合成图像中。图片来源：NASA、ESA、A. Riess (STScI)、W. Yuan (STScI)

一类特殊的恒星，即造父变星，一个多世纪以来为我们提供了最精确的距离测量，因为这些恒星非常明亮：它们是超巨星，光度是太阳的十万倍。 更重要的是，它们在几周内会脉动（即尺寸扩大和收缩），这表明了它们的相对亮度。 周期越长，它们本质上越亮。 它们是测量一亿光年或以上星系距离的黄金标准工具，这是确定哈勃常数的关键一步。 不幸的是，从我们遥远的有利位置来看，星系中的恒星拥挤在一个狭小的空间里，因此我们常常缺乏将它们与视线邻居分开的分辨率。

哈勃的贡献和韦伯的进步

建造哈勃太空望远镜的一个主要理由就是解决这个问题。 在 1990 年哈勃发射以及随后的造父变星测量之前，宇宙的膨胀速度非常不确定，天文学家不确定宇宙是否已经膨胀了 100 亿年或 200 亿年。 这是因为更快的膨胀率将导致宇宙的年龄更年轻，而更慢的膨胀率将导致宇宙的年龄更老。 哈勃望远镜比任何地面望远镜都具有更好的可见波长分辨率，因为它位于地球大气层模糊效应之上。 因此，它可以识别距离超过一亿光年的星系中的单个造父变星，并测量它们改变亮度的时间间隔。

然而，我们还必须在光谱的近红外部分观察造父变星，以看到毫发无伤地穿过中间尘埃的光。 （灰尘吸收并散射蓝色光学光，使远处的物体看起来很暗淡，并欺骗我们相信它们比实际距离更远）。 不幸的是，哈勃的红光视觉不如蓝色清晰，因此我们看到的造父变星的星光与视野中的其他恒星混合在一起。 我们可以从统计上解释平均混合量，就像医生通过从体重秤读数中减去衣服的平均重量来计算体重一样，但这样做会增加测量结果的噪音。，因为有些人的衣服比其他人重。

然而，敏锐的红外视觉是詹姆斯·韦伯太空望远镜的超能力之一。 凭借其大镜子和灵敏的光学器件，它可以轻松地将造父变星光与邻近恒星分开，而几乎不会发生混合。 在 1685 年韦伯通用观测计划运行的第一年，我们沿着所谓的宇宙距离阶梯分两步收集了哈勃发现的造父变星的观测结果。 第一步涉及以已知的几何距离观察星系中的造父变星，这使我们能够校准造父变星的真实光度。 对于我们的计划，该星系是 NGC 4258。第二步是观测最近 Ia 型超新星的宿主星系中的造父变星。 前两个步骤的结合将距离知识传递给超新星，以校准它们的真实光度。 第三步是观察远处那些宇宙膨胀明显的超新星，可以通过比较从它们的亮度和超新星宿主星系的红移推断出的距离来测量。 这一系列步骤称为距离阶梯。

我们最近从第一步和第二步中获得了第一个韦伯测量结果，这使我们能够完成距离阶梯，并与哈勃之前的测量结果进行比较（见图），由于天文台的分辨率为 近红外波长。 这种改进是天文学家梦寐以求的！ 我们在前两步观测到了 320 多个造父变星。 我们确认早期的哈勃太空望远镜测量结果是准确的，尽管噪音较大。 我们还用韦伯观测到了另外四个超新星宿主，我们在整个样本中看到了类似的结果。

用于测量距离的造父变星周期-光度关系的比较。 红点来自 NASA 的韦伯，灰点来自 NASA 的哈勃。 顶部面板是 NGC 5584（Ia 型超新星宿主），插图显示每台望远镜看到的同一造父变星的图像标记。 底部面板是 NGC 4258，这是一个几何距离已知的星系，插图显示了用每台望远镜测量的 NGC 5584 和 NGC 4258 之间距离模数的差异。 两台望远镜的一致性非常好。 图片来源：NASA、ESA、A. Riess (STScI) 和 G. Anand (STScI)

哈勃张力的持续存在之谜

结果仍然无法解释为什么宇宙膨胀得如此之快！ 我们可以通过观察宇宙的婴儿图像（宇宙微波背景）来预测宇宙的膨胀速度，然后利用宇宙如何随时间增长的最佳模型来告诉我们宇宙今天应该膨胀多快。 目前对膨胀率的测量大大超过了预测，这一事实是一个长达十年的问题，称为“哈勃张力”。 最令人兴奋的可能性是，张力是我们在理解宇宙时所缺失的一些线索。

它可能表明奇异暗能量、奇异暗物质的存在，我们对引力理解的修正，或者独特粒子或场的存在。 更常见的解释是多个测量误差在同一方向上共谋（天文学家通过使用独立步骤排除了单个误差），因此这就是为什么以更高的保真度重新进行测量如此重要。 随着韦伯证实了哈勃的测量结果，韦伯测量提供了迄今为止最有力的证据，表明哈勃造父变星光度测量中的系统误差在当前的哈勃张力中并未发挥重要作用。 结果，更有趣的可能性仍然存在，紧张局势的谜团也加深了。

这篇文章重点介绍了《天体物理学杂志》接受的一篇论文中的数据。