数字终于对齐韦伯望远镜破解宇宙膨胀速度的差异之谜

摘要：长期以来，科学家们一直对宇宙膨胀速度的差异感到困惑，但詹姆斯韦伯太空望远镜提供的更清晰的新数据可能最终会解开这个谜团。通过使用强大的红外仪器改进距离测量并分析爆炸的恒星和红巨星，研究人员已经将之前相互冲突的哈勃常数值统一起来。

长期以来，科学家们一直对宇宙膨胀速度的差异感到困惑，但詹姆斯韦伯太空望远镜提供的更清晰的新数据可能最终会解开这个谜团。通过使用强大的红外仪器改进距离测量并分析爆炸的恒星和红巨星，研究人员已经将之前相互冲突的哈勃常数值统一起来。

科学家们利用强大的新詹姆斯·韦伯太空望远镜对多个星系拍摄的数据，对宇宙膨胀速度进行了新的计算。上图是韦伯望远镜拍摄的NGC 1365星系的图像。图片来源：科学：NASA、ESA、CSA，Janice Lee（NOIR实验室），图像处理：Alyssa Pagan（STScI）

宇宙之谜：相互冲突的膨胀率

多年来，科学家一直在追寻我们对宇宙理解中令人费解的不一致之处。

我们知道宇宙正在膨胀，但对其膨胀速度的测量却得出了不同的答案，这取决于我们观察的是早期宇宙还是现在的宇宙。如果两种测量方法都正确，那么这将挑战现代宇宙学的根本基础。

现在，詹姆斯韦伯太空望远镜提供的更新、更精确的数据为我们提供了新的视角——看起来宇宙可能并没有出现异常。

“这一新证据表明，我们的宇宙标准模型是成立的，”芝加哥大学温迪·弗里德曼教授说，她是有关这一膨胀率（即哈勃常数）的争论中的领军人物。

她说：“这并不意味着我们将来不会发现与模型不一致的东西，但目前哈勃常数似乎并不是这样。”

该研究结果发表在5月27日的《天体物理学杂志》上。

测量宇宙增长的两种方法

为了弄清楚宇宙膨胀的速度，科学家使用了两种主要技术。

第一项研究涉及宇宙大爆炸遗留下来的古老光。这种被称为宇宙微波背景的光至今仍在太空中传播，为我们提供了早期宇宙的快照。

弗里德曼专注于第二种方法——测量宇宙在当今更接近地球的膨胀速度。令人惊讶的是，这项任务难度更大。测量浩瀚宇宙尺度的距离极其复杂，需要仔细观察恒星和星系。

超新星和恒星基准

在过去的半个世纪左右，科学家们提出了许多测量相对较近距离的方法。一种方法是捕捉某一类恒星在其峰值亮度下（即在其生命末期爆发为超新星时）发出的光。如果我们知道这些超新星的最大亮度，测量它们的视光度就能计算出它的距离。额外的观测可以告诉我们发生超新星的星系远离我们的速度有多快。弗里德曼还开创了另外两种方法，利用了我们对另外两种恒星的了解：红巨星和碳星。

然而，在最终确定距离之前，必须对这些测量结果进行多项修正。科学家首先必须考虑宇宙尘埃，这些尘埃会使我们与其宿主星系中这些遥远恒星之间的光线变暗。他们还必须检查并修正宇宙时间中可能出现的光度差异。最后，还必须识别并修正用于测量的仪器中细微的测量不确定度。

但随着技术的进步，例如2021 年发射功能更强大的詹姆斯韦伯太空望远镜，科学家们已经能够逐渐改进这些测量方法。

“我们用于校准超新星的星系样本增加了一倍多，”弗里德曼说。“统计上的改进非常显著。这大大增强了结果的准确性。”

数字终于对齐

弗里德曼的最新计算综合了哈勃望远镜和詹姆斯韦伯太空望远镜的数据，得出的值为每秒每百万秒差距 70.4 公里，正负 3%。

这使得她的值与最近从宇宙微波背景中测量到的值在统计上一致，后者为 67.4，正负 0.7%。

韦伯望远镜的分辨率是哈勃望远镜的四倍，这使得它能够识别之前在模糊星群中发现的单个恒星。它的灵敏度也大约是哈勃望远镜的十倍，从而提供了更高的精度，甚至能够发现更暗淡的目标天体。

“我们真切地感受到詹姆斯·韦伯太空望远镜在精确测量星系距离方面的神奇功效，”论文合著者、劳伦斯伯克利实验室的泰勒·霍伊特说道。论文合著者、卡内基科学研究所的巴里·马多尔补充道：“利用它的红外探测器，我们可以穿透尘埃，而尘埃一直以来都阻碍着距离的精确测量，我们还能以更高的精度测量恒星的亮度。”

弗里德曼解释说，天体物理学家一直在试图提出一种理论来解释宇宙老化过程中膨胀速度的不同。

她说：“已经有超过 1000 篇论文试图解决这个问题，但结果却发现这极其困难。”

科学家们仍在努力寻找描述宇宙的标准模型中的漏洞，这或许能为两大未解之谜——暗物质和暗能量——的本质提供线索。但哈勃常数似乎越来越不适合作为研究对象。

乐观展望未来