破解哈勃张力：韦伯的精确测量揭示了宇宙膨胀之谜

NGC 5468 是一个距离地球约 1.3 亿光年的星系，这张照片结合了哈勃和詹姆斯-韦伯太空望远镜的数据。这是哈勃发现的最远的仙王座变星星系。它们是测量宇宙膨胀率的重要里程标。根据仙王座变星计算出的距离与该星系中的一颗Ia型超新星相互关联。Ia 型超新星的亮度非常高，它们被用来测量远超过蛇夫座星系范围的宇宙距离，从而将宇宙膨胀率的测量扩展到更深的空间。资料来源：NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)

宇宙膨胀的速度，即哈勃常数，是了解宇宙演化和最终命运的基本参数之一。然而，用各种独立的距离指标测得的哈勃常数值与根据宇宙大爆炸余辉预测的值之间存在着持续的差异，这种差异被称为"哈勃张力"（Hubble Tension）。NASA/ESA/CSA 詹姆斯-韦伯太空望远镜证实，哈勃太空望远镜敏锐的目光一直都是正确的，消除了人们对哈勃测量结果的疑虑。

哈勃的历史成就

建造NASA/ESA 哈勃太空望远镜的科学依据之一是利用其观测能力为宇宙膨胀率提供一个精确的数值。在哈勃望远镜于 1990 年发射之前，地面望远镜的观测结果存在巨大的不确定性。根据推导出的宇宙膨胀率数值，宇宙的年龄可能在 100 亿年到 200 亿年之间。在过去的 34 年中，哈勃已经将这一测量值的精确度缩减到了百分之一以下，将两者的年龄差值缩小到了 138 亿年。哈勃通过测量被称为"仙王座变星"的重要里程碑，完善了所谓的"宇宙距离阶梯"，从而实现了这一目标。

然而，哈勃值与其他测量结果并不一致，其他测量结果表明宇宙在大爆炸后膨胀得更快。这些观测数据是由欧空局普朗克卫星对宇宙微波背景辐射绘制的地图得出的，宇宙微波背景辐射是宇宙从大爆炸冷却下来后结构演变的蓝图。

解决这个难题的简单办法是说，也许哈勃的观测结果是错误的，因为它对深空尺度的测量出现了误差。詹姆斯-韦伯太空望远镜的出现，让天文学家能够核对哈勃的观测结果。韦伯对仙王座的红外观测结果与哈勃的光学数据一致。韦伯证实了哈勃望远镜敏锐的目光一直都是正确的，消除了对哈勃测量结果的任何疑虑。

这些并排图像的中心是一种特殊的恒星，它是测量宇宙膨胀速度的里程标--仙王座变星。这两幅图像的像素非常高，因为它们是一个遥远星系的放大图。每个像素代表一颗或多颗恒星。詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）拍摄的图像在近红外波段要比哈勃望远镜（主要是可见光-紫外光望远镜）清晰得多。通过韦伯更清晰的视野来减少杂波，仙王座就能更清晰地显现出来，消除任何潜在的混淆。韦伯望远镜被用来观测一个仙王座样本，并证实了之前哈勃观测的准确性，而哈勃观测是精确测量宇宙膨胀速度和年龄的基础。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Adam G. Riess（JHU、STScI）

宇宙奥秘与理论挑战

最重要的一点是，与早期宇宙的膨胀相比，近邻宇宙中发生的事情之间所谓的哈勃张力（Hubble Tension）仍然是宇宙学家耿耿于怀的难题。空间结构中可能存在一些我们还不了解的东西。

解决这一差异需要新的物理学吗？还是由于确定空间膨胀率的两种不同方法之间存在测量误差？哈勃和韦伯现在已经联手进行了明确的测量，进一步证明了是其他东西--而不是测量误差--在影响膨胀率。

宇宙观测的进展

巴尔的摩约翰-霍普金斯大学的物理学家亚当-里厄斯说："在消除了测量误差之后，剩下的就是我们误解了宇宙这一真实而令人兴奋的可能性。亚当因与他人共同发现了宇宙膨胀正在加速这一事实而获得诺贝尔奖，这一现象现在被称为'暗能量'。"

作为交叉检验，2023 年的首次韦伯观测证实，哈勃对膨胀宇宙的测量是准确的。然而，为了缓解"哈勃张力"，一些科学家推测，随着我们对宇宙的深入观察，测量中看不见的误差可能会增加并变得明显。特别是，恒星拥挤可能会系统地影响对更遥远恒星亮度的测量。

合作验证与未来方向

亚当领导的 SH0ES（用于暗能量状态方程的超新星 H0）小组利用韦伯望远镜获得了更多的观测数据，这些天体是关键的宇宙里程碑标记，被称为仙王座变星，现在可以与哈勃数据进行关联。

亚当说："我们现在已经跨越了哈勃观测到的整个范围，我们可以非常有把握地排除测量误差是哈勃张力的原因。"

团队在 2023 年进行的前几次韦伯观测成功表明，哈勃在牢固确立所谓宇宙距离阶梯第一级的保真度方面走在了正确的道路上。

这幅插图展示了天文学家用来计算宇宙随时间膨胀速度的三个基本步骤，这个值被称为哈勃常数。所有这些步骤都涉及建立一个强大的"宇宙距离阶梯"，首先测量附近星系的精确距离，然后再测量越来越远的星系。这个"阶梯"是一系列对不同种类天体的测量结果，研究人员可以利用这些天体的固有亮度来计算距离。对于较短的距离来说，最可靠的是仙王座变星，这些恒星以可预测的速率脉动，从而显示出它们的内在亮度。最近，天文学家利用哈勃太空望远镜观测了附近大麦哲伦云中的 70 个仙王座变星，对该星系进行了最精确的距离测量。天文学家将附近的仙王座变星的测量结果与更远星系的测量结果进行比较，这些星系还包括另一个宇宙尺度--被称为Ia型超新星的爆炸恒星。这些超新星比仙王座变星亮得多。天文学家用它们作为"里程标"，来测量从地球到遥远星系的距离。每一个标记都建立在"阶梯"的前一步之上。通过使用不同种类的可靠"里程标"来扩展"阶梯"，天文学家可以测出宇宙中非常遥远的距离。天文学家将这些距离值与整个星系的光线测量值进行比较，由于空间的均匀膨胀，星系的光线会随着距离的增加而逐渐变红。这样，天文学家就可以计算出宇宙膨胀的速度：哈勃常数。图片来源：NASA、ESA 和 A：NASA, ESA and A. Feild (STScI)

宇宙距离阶梯的复杂性

天文学家使用各种方法来测量宇宙中的相对距离，具体取决于所观测的天体。这些技术统称为宇宙距离阶梯--每一级阶梯或测量技术都依赖于前一级阶梯的校准。

但一些天文学家认为，沿着"第二梯级"向外移动，如果仙王座的测量结果随着距离的增加而变得不那么精确，那么宇宙距离的阶梯可能会变得不稳固。出现这种不准确的情况可能是因为仙王座的光线可能会与邻近恒星的光线混合在一起--随着距离的增加，这种效应可能会变得更加明显，因为天空中的恒星会挤在一起，彼此变得更加难以区分。

观测方面的挑战在于，过去哈勃拍摄的这些更遥远的仙王座变星的图像，在我们和它们的宿主星系之间的距离越来越远时，看起来与邻近的恒星更加拥挤和重叠，因此需要仔细考虑这种效应。中间的尘埃使可见光测量的确定性变得更加复杂。韦伯望远镜能穿过尘埃，自然地将倒灶系恒星与邻近恒星隔离开来，因为它在红外波段的视力比哈勃望远镜更敏锐。

"韦伯望远镜和哈勃望远镜的结合为我们提供了两全其美的解决方案。我们发现，当我们沿着宇宙距离阶梯爬得更远时，哈勃的测量结果仍然是可靠的，"亚当说。

新的韦伯观测结果包括八个 Ia 型超新星的五个宿主星系，共包含 1000 个蛇夫座天体，并延伸到蛇夫座天体测量结果最远的星系--距离 1.3 亿光年的 NGC 5468。"这横跨了我们用哈勃测量的全部范围。因此，我们已经走到了宇宙距离阶梯第二级的尽头，"合著者、巴尔的摩太空望远镜科学研究所的加甘迪普-阿南德（Gagandeep Anand）说，该研究所为美国国家航空航天局（NASA）运营韦伯望远镜和哈勃望远镜。

哈勃和韦伯对"哈勃张力"的确认，为其他天文台揭开谜底创造了条件，其中包括美国宇航局即将发射的南希-格蕾丝-罗曼太空望远镜和欧空局最近发射的欧几里得任务。

目前，就好像哈勃和韦伯观测到的距离阶梯已经在河流的一侧岸边牢牢地设置了一个锚点，而普朗克观测到的宇宙诞生之初大爆炸的余晖则牢牢地设置在了河流的另一侧。在这两个端点之间的数十亿年里，宇宙的膨胀是如何变化的，还有待直接观测。"亚当说："我们需要弄清楚，在如何连接宇宙的起点和今天，我们是否遗漏了什么。

这些发现发表在2024年2月6日出版的《天体物理学杂志通讯》上。

编译自:ScitechDaily