韦伯望远镜让宇宙学领域最大的争议更加扑朔迷离

近一个世纪前，埃德温·哈勃发现宇宙正在膨胀。然而，现代对于宇宙膨胀速度的测量结果并不一致，这表明我们对物理定律的理解可能存在偏差。人们原本期待詹姆斯·韦伯太空望远镜的敏锐视野能够带来清晰的答案。但周一晚间发布的一项对该望远镜观测结果的长期分析再次得出了不同类型数据下相互矛盾的膨胀率，同时聚焦于冲突核心中可能的误差来源。

两个竞争团队一直致力于测量宇宙膨胀率，即所谓的哈勃常数（H₀）。其中一个团队由约翰斯·霍普金斯大学的亚当·里斯（打开新标签页）领导，他们一直测得H₀比基于宇宙已知成分和支配方程的理论预测高出约8%。这种差异被称为哈勃张力，表明宇宙的理论模型可能遗漏了某些内容——可能是加速宇宙膨胀的某种额外成分或效应。这种成分可能是更全面地理解宇宙的线索。

里斯及其团队今年春天基于韦伯望远镜的数据发布了他们对H₀的最新测量结果（打开新标签页），所得数值与他们之前的估计相符。

但多年来，芝加哥大学的温迪·弗里德曼（打开新标签页）领导的另一个团队一直持谨慎态度，认为需要进行更精确的测量。她的团队自己测得的H₀值始终比里斯团队的更接近理论预测，这意味着哈勃张力可能并不存在。

自韦伯望远镜于2022年开始收集数据以来，天体物理学界一直在等待弗里德曼利用该望远镜观测到的三种类型恒星进行的多角度分析。现在，结果已经出炉：两种类型的恒星得出的H₀估计值与理论预测相符，而第三种——与里斯使用的相同类型的恒星——则与里斯团队较高的H₀值相匹配。

弗里德曼表示，这三种方法的不一致“并没有告诉我们关于基础物理的信息”，“而是告诉我们，一种或多种距离测定方法中存在一些系统性[误差]”。

弗里德曼的结果（打开新标签页）已提交给《天体物理学杂志》，但尚未经过正式的同行评审，即外部研究人员匿名检查数据和分析。加州大学伯克利分校的诺贝尔奖得主、宇宙学家索尔·珀尔马特（打开新标签页）在结果发布前看到了该团队的预印本，他告诉《Quanta》杂志，结果表明“我们可能仅在[基于恒星的]测量中存在哈勃张力。这是我们真正需要努力解决的问题，而不是试图发明新的[宇宙学]模型”。

里斯在研究过预印本后告诉《Quanta》杂志，他对弗里德曼团队在分析中的一个步骤中使用的少量超新星持异议，他认为这可能会使结果产生偏差。“新的测量数据非常出色，事实上与我们团队几年前获得的相同测量结果非常一致，因此距离测量似乎得到了控制，”他说，“然而，我担心这项对如此小的超新星样本的研究，对哈勃常数的值给出了某种误导性的印象。”

这些结果是在幕后经历了数月的波折后得出的，因为弗里德曼最初认为她的分析已经解决了哈勃张力问题，但随后它又卷土重来。“这真的……不算乏味，我这么说吧，”她说。

这是常态。珀尔马特表示，“哈勃常数有着悠久而辉煌的传统，是一个几十年来一直无法解决的问题。”

冲突的宇宙

衡量宇宙膨胀的难点在于测量空间中物体的距离。1912年，美国天文学家亨丽埃塔·勒维特首次发现（打开新标签页）了一种使用名为造父变星的脉动恒星来测量距离的方法。这些恒星的闪烁频率与其固有亮度相关（因此可以揭示其固有亮度）。一旦你知道了一颗造父变星的亮度，就可以将其与实际观测到的亮度或暗度进行比较，从而估算出其所在星系的距离。

埃德温·哈勃利用莱维特的方法测量了含有造父变星的一些星系的距离，并于1929年发现距离我们更远的星系正以更快的速度远离我们。这意味着宇宙正在膨胀。哈勃将膨胀速率定为每百万秒差距每秒500千米（km/s/Mpc），即两个相距1百万秒差距（约320万光年）的星系正以每秒500千米的速度彼此远离。

这个数值偏差极大。

随着天文学家校准造父变星的脉动频率与其光度之间关系的能力提高，对哈勃常数（H₀）的测量也变得更加精确。然而，由于造父变星的光度有限，整个方法仍受到限制。为了测量宇宙中遥远星系的距离，科学家们需要一种新的方法。

20世纪70年代，研究人员开始使用造父变星校准明亮超新星的距离，从而能够更准确地测量哈勃常数（H₀）。当时和现在一样，两个研究团队引领着这一领域，他们使用与造父变星相关联的超新星，但得出的数值却大相径庭，分别为每秒每百万秒差距50千米和100千米。“双方从未达成一致；他们完全对立，”剑桥大学天体物理学家乔治·埃夫斯塔修（打开新标签）说。

1990年发射的哈勃空间望远镜为天文学家提供了一个清晰的新视角来观测宇宙。弗里德曼领导了一项使用哈勃望远镜进行的多年观测活动，并于2001年与她的同事宣布（打开新标签）了每秒每百万秒差距72千米的膨胀速率，并估计这一数值的误差最多为10%。

几年后，里斯——这位暗能量的诺贝尔奖获得者之一——也加入了宇宙膨胀的研究。2011年，他的团队公布了一个哈勃常数（H₀）值73，估计误差为3%。

不久之后，宇宙学家开创了另一种完全不同的方法。2013年，他们利用普朗克望远镜观测到的早期宇宙遗留的光，确定了原始宇宙的详细形状和成分。然后，他们将这些成分代入爱因斯坦的广义相对论中，并将理论模型向前推演了近140亿年，以预测当前宇宙的状态。这种外推预测（打开新标签）表明，目前宇宙的膨胀速率应为每秒每百万秒差距67.4千米，误差小于1%。

里斯团队的测量值即使在精度提高后也保持在73。这个更高的数值意味着，根据理论，今天的星系正以比应有的速度更快的速度彼此远离。哈勃张力由此产生。“如果这是宇宙的真实特征，那么它告诉我们，宇宙学模型中遗漏了某些东西，”里斯说。

这个遗漏的东西将是自暗能量被发现以来宇宙中的第一个新成分。理论家们对其身份进行了推测：它可能是早期宇宙中短暂存在的一种额外的排斥性能量吗？或者它可能是大爆炸期间产生的原始磁场吗？