宇宙膨胀速度为啥不同？造父变星和红巨星能揭示“哈勃张力”吗？

我们的宇宙正在膨胀，但我们衡量膨胀速度的两种主要方法得出了不同答案。在过去的十年里，天体物理学家逐渐分成两个阵营：一个阵营认为差异很大，另一个阵营认为这可能是由于测量误差造成的。如果事实证明是错误导致了不匹配，这将证实我们关于宇宙如何运行的基本模型。另一种可能是一条线，当它被拉出来时，会表明需要一些基本缺失的新物理来将其缝合在一起。几年来，来自望远镜的每一项新证据都让争论来回“摇摆”，产生了所谓的“哈勃张力”。

著名天文学家温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)是芝加哥大学约翰和马里恩·沙利文大学天文学和天体物理学教授，他对宇宙膨胀率进行了一些原始测量，导致哈勃常数的值更高。但在《天体物理学》期刊新接受的一篇新研究论文中，弗里德曼概述了最新的观测结果，结论是：最新的观察结果开始缩小差距。也就是说，可能终究不会有冲突，宇宙标准模型也不需要大幅修改。宇宙膨胀的速率被称为哈勃常数（以1929年发现宇宙膨胀的芝加哥大学校友埃德温·哈勃的名字命名）。

科学家们想要精确地确定这一速率，因为哈勃常数与宇宙的年龄以及它是如何随时间演变有关。在过去的十年里，当两种主要测量方法的结果开始出现分歧时，出现了实质性的偏差，但科学家们仍在争论这种不匹配的重要性。测量哈勃常数的一种方法是观察大爆炸遗留下来非常微弱的光，称为宇宙微波背景。无论是在太空中还是在地面上，这都是通过芝加哥大学领导的南极望远镜等设施完成。科学家可以将这些观测数据输入到早期宇宙标准模型中，并及时将其向前推进，以预测今天的哈勃常数应该是多少。

哈勃常数测量值

得到的答案是67.4km/s/Mpc，另一种方法是观察附近宇宙中的恒星和星系，测量它们的距离和远离我们的速度。弗里德曼几十年来一直是这一方法的主要专家；2001年，她的团队使用哈勃太空望远镜进行了一次里程碑式的测量，拍摄了被称为造父变星的恒星图像，其数值是72km/s/Mpc。在那之后的几年里，弗里德曼一直在继续测量造父变星，每次都会查看更多的望远镜数据；然而在2019年，她和同事们就发表了一个基于一种完全不同的方法的答案，该方法使用的是被称为红巨星的恒星。

这个想法是用一种独立的方法对造父变星进行交叉检验。红巨星是非常大且发光的恒星，它们总是在迅速褪色之前达到相同的峰值亮度。如果科学家能够准确地测量红巨星的实际峰值亮度或内在峰值亮度，那么就可以测量到它们所在星系的距离，这是等式中必不可少但也很困难的一部分，关键问题是这些测量的精确度有多高。之前的计算使用了一个非常接近的星系来校准红巨星光度。在过去的两年里，弗里德曼和合作者计算了几个不同星系和恒星群的数据。

弗里德曼说：现在有四种独立的方法来校准红巨星亮度，它们彼此之间的误差在1%以内，这表明，这是一种非常好的测量距离的方式。弗里德曼说：我真的很想仔细观察造父变星和红巨星，我很清楚他们的长处和短处，我得出的结论是，我们不需要基本的新物理学来解释宇宙不同距离的膨胀率差异，新的红巨星数据表明它们是一致的。芝加哥大学研究生泰勒·霍伊特(Taylor Hoyt)一直在测量锚定星系中的红巨星，他补充说：我们一直在以不同的方式测量和测试红巨星分支恒星，它们一直超出我们的预期。

造父变星和红巨星

弗里德曼团队从红巨星获得的哈勃常数为69.8km/s/Mpc，与宇宙微波背景实验得出的值相同。使用造父变星的计算仍然给出了更高数值，但根据弗里德曼的分析，这种差异可能并不令人担忧。她解释说：造父变星的噪音一直比较大，要完全理解起来也比较复杂；它们是星系活跃恒星形成区的年轻恒星，这意味着像尘埃或其他恒星的污染这样的东西可能会扰乱测量。

造父变星是星系中活跃恒星形成区中的年轻恒星，这意味着像尘埃或其他恒星的污染这样的东西可能会扰乱测量结果。在她看来，冲突可以通过更好的数据来解决。未来，当詹姆斯·韦伯太空望远镜发射后，科学家们将开始收集这些新的观测数据。弗里德曼和合作者已经获得了使用望远镜的时间，这是一个重大计划，目的是对造父变星和红巨星进行更多的测量。韦伯太空望远镜将给我们带来更高的灵敏度和分辨率，数据很快就会变得更好。

但与此同时，她想仔细看看现有的数据，她发现其中大部分实际上是一致的。弗里德曼说：这就是科学发展的方式，你踢轮胎看看有没有放气的东西，到目前为止，没有爆胎。一些支持根本性失配的科学家可能会失望，但对弗里德曼来说：这两个答案都令人兴奋。新物理学还有一些空间，但即使没有空间，也会表明我们拥有的标准模型基本上是正确的，这也是一个需要得出的深刻结论。这就是科学的有趣之处：我们事先不知道答案，我们是边走边学的，在这个领域里，这真的是一个令人兴奋的时刻。

博科园｜研究/来自：芝加哥大学

发表期刊《天体物理学》《Measurements of the Hubble Constant: Tensions in Perspective》

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