“哈勃張力”表示觀測到的宇宙膨脹率與預期的宇宙膨脹率之間的差異。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡改進了哈勃太空望遠鏡之前進行的測量。儘管取得了進步，但關於宇宙的快速膨脹和潛在的潛在宇宙現象的問題仍然存在。

NASA 的NIRCam（近紅外相機）和哈勃的WFC3（廣角相機3）的綜合觀測結果顯示，螺旋星系NGC 5584 距離地球7200 萬光年。NGC 5584 的發光恆星中有稱為造父變星的脈動恆星和Ia 型超新星（一類特殊的爆炸恆星）。天文學家使用造父變星和Ia 型超新星作為可靠的距離標記來測量宇宙的膨脹率。圖片來源：NASA、ESA、CSA 和A. Riess (STScI)

宇宙膨脹的速度，稱為哈勃常數，是理解宇宙演化和最終命運的基本參數之一。然而，在使用各種獨立距離指標測量的常數值與根據大爆炸餘輝預測的值之間存在一種稱為“哈勃張力”的持續差異。

美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡提供了新的能力來審查和完善這種緊張局勢的一些最有力的觀測證據。來自約翰·霍普金斯大學和太空望遠鏡科學研究所的諾貝爾獎獲得者Adam Riess 介紹了他和同事最近利用韋伯觀測來提高哈勃常數局部測量精度的工作。

宇宙測量的挑戰

你是否曾經很難看到位於你視野邊緣的標誌？它說什麼？這是什麼意思？即使使用最強大的望遠鏡，天文學家想要讀取的“跡象”也顯得如此之小，以至於我們也很掙扎。

宇宙學家想要解讀的標誌是宇宙速度極限標誌，它告訴我們宇宙膨脹的速度有多快——這個數字稱為哈勃常數。我們的星座被寫入遙遠星系的恆星中。這些星系中某些恆星的亮度告訴我們它們距離我們有多遠，因此這些光到達我們需要多長時間，而星系的紅移告訴我們宇宙在這段時間內膨脹了多少，從而告訴我們擴張率。

該圖說明了美國宇航局哈勃和韋伯太空望遠鏡的綜合能力，可以確定到一類特殊變星的精確距離，該變星用於校準宇宙的膨脹率。這些造父變星出現在擁擠的星場中。周圍恆星的光污染可能會使造父變星亮度的測量不太精確。韋伯更清晰的紅外視覺使造父變星目標能夠更清晰地與周圍的恆星隔離，如圖右側所示。韋伯數據證實了哈勃望遠鏡30 年來對造父變星觀測的準確性，這些觀測對於建立測量宇宙膨脹率的宇宙距離階梯的底部梯級至關重要。左邊，NGC 5584 出現在韋伯NIRCam（近紅外相機）和哈勃廣角相機3 的合成圖像中。圖片來源：NASA、ESA、A. Riess (STScI)、W. Yuan (STScI)

一類特殊的恆星，即造父變星，一個多世紀以來為我們提供了最精確的距離測量，因為這些恆星非常明亮：它們是超巨星，光度是太陽的十萬倍。更重要的是，它們在幾週內會脈動（即尺寸擴大和收縮），這表明了它們的相對亮度。週期越長，它們本質上越亮。它們是測量一億光年或以上星系距離的黃金標準工具，這是確定哈勃常數的關鍵一步。不幸的是，從我們遙遠的有利位置來看，星系中的恆星擁擠在一個狹小的空間裡，因此我們常常缺乏將它們與視線鄰居分開的分辨率。

哈勃的貢獻和韋伯的進步

建造哈勃太空望遠鏡的一個主要理由就是解決這個問題。在1990 年哈勃發射以及隨後的造父變星測量之前，宇宙的膨脹速度非常不確定，天文學家不確定宇宙是否已經膨脹了100 億年或200 億年。這是因為更快的膨脹率將導致宇宙的年齡更年輕，而更慢的膨脹率將導致宇宙的年齡更老。哈勃望遠鏡比任何地面望遠鏡都具有更好的可見波長分辨率，因為它位於地球大氣層模糊效應之上。因此，它可以識別距離超過一億光年的星系中的單個造父變星，並測量它們改變亮度的時間間隔。

然而，我們還必須在光譜的近紅外部分觀察造父變星，以看到毫髮無傷地穿過中間塵埃的光。（灰塵吸收並散射藍色光學光，使遠處的物體看起來很暗淡，並欺騙我們相信它們比實際距離更遠）。不幸的是，哈勃的紅光視覺不如藍色清晰，因此我們看到的造父變星的星光與視野中的其他恆星混合在一起。我們可以從統計上解釋平均混合量，就像醫生通過從體重秤讀數中減去衣服的平均重量來計算體重一樣，但這樣做會增加測量結果的噪音。，因為有些人的衣服比其他人重。

然而，敏銳的紅外視覺是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的超能力之一。憑藉其大鏡子和靈敏的光學器件，它可以輕鬆地將造父變星光與鄰近恆星分開，而幾乎不會發生混合。在1685 年韋伯通用觀測計劃運行的第一年，我們沿著所謂的宇宙距離階梯分兩步收集了哈勃發現的造父變星的觀測結果。第一步涉及以已知的幾何距離觀察星系中的造父變星，這使我們能夠校準造父變星的真實光度。對於我們的計劃，該星係是NGC 4258。第二步是觀測最近Ia 型超新星的宿主星系中的造父變星。前兩個步驟的結合將距離知識傳遞給超新星，以校準它們的真實光度。第三步是觀察遠處那些宇宙膨脹明顯的超新星，可以通過比較從它們的亮度和超新星宿主星系的紅移推斷出的距離來測量。這一系列步驟稱為距離階梯。

我們最近從第一步和第二步中獲得了第一個韋伯測量結果，這使我們能夠完成距離階梯，並與哈勃之前的測量結果進行比較（見圖），由於天文台的分辨率為近紅外波長。這種改進是天文學家夢寐以求的！我們在前兩步觀測到了320 多個造父變星。我們確認早期的哈勃太空望遠鏡測量結果是準確的，儘管噪音較大。我們還用韋伯觀測到了另外四個超新星宿主，我們在整個樣本中看到了類似的結果。

用於測量距離的造父變星周期-光度關係的比較。紅點來自NASA 的韋伯，灰點來自NASA 的哈勃。頂部面板是NGC 5584（Ia 型超新星宿主），插圖顯示每台望遠鏡看到的同一造父變星的圖像標記。底部面板是NGC 4258，這是一個幾何距離已知的星系，插圖顯示了用每台望遠鏡測量的NGC 5584 和NGC 4258 之間距離模數的差異。兩台望遠鏡的一致性非常好。圖片來源：NASA、ESA、A. Riess (STScI) 和G. Anand (STScI)

哈勃張力的持續存在之謎

結果仍然無法解釋為什麼宇宙膨脹得如此之快！我們可以通過觀察宇宙的嬰兒圖像（宇宙微波背景）來預測宇宙的膨脹速度，然後利用宇宙如何隨時間增長的最佳模型來告訴我們宇宙今天應該膨脹多快。目前對膨脹率的測量大大超過了預測，這一事實是一個長達十年的問題，稱為“哈勃張力”。最令人興奮的可能性是，張力是我們在理解宇宙時所缺失的一些線索。

它可能表明奇異暗能量、奇異暗物質的存在，我們對引力理解的修正，或者獨特粒子或場的存在。更常見的解釋是多個測量誤差在同一方向上共謀（天文學家通過使用獨立步驟排除了單個誤差），因此這就是為什麼以更高的保真度重新進行測量如此重要。隨著韋伯證實了哈勃的測量結果，韋伯測量提供了迄今為止最有力的證據，表明哈勃造父變星光度測量中的系統誤差在當前的哈勃張力中並未發揮重要作用。結果，更有趣的可能性仍然存在，緊張局勢的謎團也加深了。

這篇文章重點介紹了《天體物理學雜誌》接受的一篇論文中的數據。