分析测量宇宙膨胀率后 天文学家发现可能并不存在"哈勃张力"

科学家们利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）获取的新数据，通过测量包括上图中的 NGC 3972 在内的 10 个星系的光线，对宇宙随时间膨胀的速度做出了新的解读。图片来源：尤瓦尔-哈帕兹（Yuval Harpaz），数据来自 JWST

我们对宇宙有很多了解，但天文学家仍在争论宇宙膨胀的速度到底有多快。事实上，在过去的二十年里，测量这个数字（即"哈勃常数"）的两种主要方法得出了不同的答案，这让一些人怀疑我们的宇宙运行模型中是否缺少了什么。

但是，强大的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的最新测量结果似乎表明，可能根本不存在冲突，也就是不存在所谓的"哈勃张力"。

在提交给《天体物理学杂志》的一篇论文中，芝加哥大学宇宙学家温迪-弗里德曼（Wendy Freedman）和她的同事分析了美国国家航空航天局功能强大的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）拍摄的新数据。他们测量了附近十个星系的距离，并测出了目前宇宙膨胀速度的新值。他们的测量结果是每兆距每秒 70 公里，与哈勃常数的其他主要测量方法重叠。

著名天文学家、芝加哥大学天文学和天体物理学约翰和玛丽昂-沙利文大学教授弗里德曼说："根据这些新的 JWST 数据，并使用三种独立的方法，我们没有发现哈勃张力的有力证据。"相反，看起来我们解释宇宙演化的标准宇宙学模型是成立的。"

1929 年，芝加哥大学校友埃德温-哈勃（Edwin Hubble，1910 年本科毕业，1917 年博士毕业）对恒星进行了测量，结果表明最遥远的星系远离地球的速度快于附近的星系。但令人惊讶的是，人们一直难以确定目前宇宙膨胀速度的确切数字。

JWST 提供的恒星视图（左图）明显比哈勃太空望远镜（右图）观测到的相同恒星更加清晰。资料来源：Freedman et al.

这个数字被称为哈勃常数，对于了解宇宙的背景故事至关重要。它是我们关于宇宙如何随时间演变的模型的关键部分。

弗里德曼解释说："证实哈勃常数张力的真实性将对基础物理学和现代宇宙学产生重大影响。"

鉴于这些测量的重要性和难度，科学家们用不同的方法对其进行测试，以确保测量结果尽可能准确。其中一个主要方法是研究宇宙大爆炸后的残余光线，即宇宙微波背景。目前，用这种方法对哈勃常数的最佳估计值是每兆距每秒 67.4 公里，非常精确。

弗里德曼擅长的第二种主要方法是利用已知亮度的恒星，直接测量本地宇宙邻域中星系的膨胀情况。就像汽车灯在远处看起来比较暗一样，在越来越远的距离上，恒星看起来也越来越暗。测量星系远离我们的距离和速度，就能告诉我们宇宙膨胀的速度。

过去，用这种方法测量得出的哈勃常数数字较高--接近每百万法距每秒 74 公里。

这种差异之大，足以让一些科学家猜测，我们的宇宙演化标准模型可能遗漏了一些重要的东西。例如，由于一种方法研究的是宇宙的最初时期，而另一种方法研究的是当前时期，因此随着时间的推移，宇宙中可能发生了一些重大变化。这种明显的不匹配被称为"哈勃张力"。

詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）为人类提供了一个观察太空深处的强大新工具。这台哈勃望远镜的后继者于 2021 年发射升空，它已经拍摄出了令人惊叹的清晰图像，揭示了遥远世界的新面貌，并收集了前所未有的数据，打开了宇宙的新窗口。

艺术家的概念图，展示了宇宙自大爆炸以来随着时间的推移而膨胀的过程。资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

弗里德曼和她的同事利用这架望远镜对附近的十个星系进行了测量，为测量宇宙膨胀率奠定了基础。

为了核对结果，他们使用了三种独立的方法。第一种方法使用一种被称为"仙王座变星"的恒星，这种恒星的亮度会随着时间的推移而发生可预测的变化。第二种方法被称为"红巨星分支尖端法"，它利用了低质量恒星亮度达到固定上限这一事实。第三种，也是最新的一种方法采用了一种叫做碳星的恒星，这种恒星在近红外光谱中具有一致的颜色和亮度。新的分析是首次在同一星系内同时使用这三种方法。

在每种情况下，这些数值都在宇宙微波背景法给出的每百万英微秒 67.4 千米的误差范围之内。弗里德曼说："从三个完全不同类型的恒星那里获得良好的一致意见，对我们来说是一个有力的指标，说明我们走在正确的道路上。"

研究报告的合著者、卡内基科学研究所的巴里-马多尔（Barry Madore）和芝加哥大学的客座教师说："未来利用 JWST 进行的观测对于证实或反驳哈勃张力以及评估其对宇宙学的影响至关重要。"

编译自/ScitechDaily