文：莫心海
【编者注】宇宙的浩渺对人类永远是个迷，无从知道其实质。现代天文学所认识到的只是用现代高科技捕捉到的天体在人类空间能观察到的变化瞬间，科学家抓住这一刻的观测数据，提出理论，假说，象盲人摸象，难以窥探到整体和其本质所在。如果只在人类这个空间去探索宇宙的奥秘，终归是竹篮打水一场空。希望读者从现代天文的发现中，能思考宇宙、人体、生命的真正意义何在。
螺旋星系 NGC 5584 。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。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)。
宇宙加速膨胀是目前主流天文学家的共识，可是天文学家在几十年来用不同的方法测量的宇宙膨胀的速率，即哈勃常数，却得到互相矛盾的数据，这给天文学家对宇宙的理解留下了一个相当大的鸿沟。
2023年9 月 12 日研究人员宣布韦伯太空望远镜(JWST) 首次对这一情况进行了评估，但它并没有解开这个谜团。事实上，它使矛盾更加深了。
根据大多数模型，哈勃常数约等于每秒每兆秒差距 (km/s/Mpc) 68 公里。一兆秒差距约等于3,260光年。但在扫描了整个宇宙的恒星和星系后，一些专家计算出该常数为 69.8 km/s/Mpc，而另一些专家则发现它高达 74 km/s/Mpc，具体取决于测量方法。还有一些人提出了介于两者之间的解决方案。
这种差异要么表明我们的仪器不够智能，要么表明目前的理论是错误的。换句话说，也许目前我们对宇宙的理解的模型遗漏了一些东西？
2019 年，一些知名物理学家甚至齐聚加州卡维利理论物理研究所，正式尝试解决问题。最后以失败告终。从那时起，科学家们就继续努力找出他们可能出错的地方，并在一份清单上划掉了对哈勃常数的可能解释。
回到 JWST 的结果：星载天文台又划掉了该清单中的一项。简而言之，它表明所谓的危机可能不是哈勃太空望远镜的测量的技术问题造成的。
这是一件大事，因为哈勃观测是科学家用来解码哈勃常数的最常见特征之一，或者更具体地说，哈勃对造父变星的观测是最常见的特征之一。
韦伯太空望远镜提供了新的能力来审查和完善这种紧张关系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 亚当.里斯（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。
“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，亮度是太阳的十万倍。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邻居恒星分开的分辨率。
“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光波长分辨率，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。有些人的衣服比其他人重。
“然而，敏锐的红外视觉是韦伯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。在我们的通用观测者计划 1685韦伯运行的第一年，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。对于我们的程序来说，星系是NGC 4258。第二步是观测近期Ia 型超新星的宿主星系中的造父变星。
用于测量距离的造父变星周期-光度关系的比较。红点来自韦伯，灰点来自哈勃。顶图是 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。底图是 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。图片来源：NASA、ESA、CSA、J. Kang (STScI)。科学：A. Riess (STScI)
“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。
“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，然后利用我们关于它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。
简而言之，哈勃常数的新数值为每秒每兆秒差距 74 公里（46 英里）。而用普朗克观测仪对早期宇宙微波背景辐射的得到观测值，再加上目前天文学家公认的宇宙的模型来推算，宇宙的膨胀速度应该是每秒每百万秒差距 67 公里（41.6 英里），两者相差9%，这一差值远大于测量的系统误差，这表明天文学家对宇宙的认识可能有严重的偏差。
参考资料：
https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/webb-confirms-accuracy-of-universes-expansion-rate-measured-by-hubble
- 哈勃望远镜新图像：两个合并星系之间的星际桥梁
- 哈勃望远镜视野中的银河系球状星团Terzan 12
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来源:正见新闻网
