哈伯常數的測量差異，即哈伯張力，一直是宇宙學中的重大謎題。詹姆斯-韋伯太空望遠鏡對哈伯太空望遠鏡數據的確認，鞏固了宇宙距離階梯的準確性，並表明這一差異可能暗示著未知的宇宙現象，需要進一步研究。

NGC 5468 是一個距離地球約1.3 億光年的星系，這張照片結合了哈伯和詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的數據。這是哈伯發現的最遠的仙王座變星星系。它們是測量宇宙膨脹率的重要里程標。根據仙王座變星計算出的距離與該星系中的一顆Ia型超新星相互關聯。 Ia 型超新星的亮度非常高，它們被用來測量遠超過蛇夫座星系範圍的宇宙距離，從而將宇宙膨脹率的測量擴展到更深的空間。資料來源：NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)

宇宙膨脹的速度，即哈伯常數，是了解宇宙演化和最終命運的基本參數之一。然而，用各種獨立的距離指標測得的哈伯常數值與根據宇宙大爆炸餘輝預測的值之間存在著持續的差異，這種差異被稱為”哈伯張力”（Hubble Tension）。 NASA/ESA/CSA 詹姆斯-韋伯太空望遠鏡證實，哈伯太空望遠鏡敏銳的目光一直都是正確的，消除了人們對哈伯測量結果的疑慮。

哈伯的歷史成就

建造NASA/ESA 哈伯太空望遠鏡的科學基礎之一是利用其觀測能力為宇宙膨脹率提供一個精確的數值。在哈伯望遠鏡於1990 年發射之前，地面望遠鏡的觀測結果存在巨大的不確定性。根據推導出的宇宙膨脹率數值，宇宙的年齡可能在100 億年到200 億年之間。在過去的34 年中，哈伯已經將這項測量值的精確度縮減到了百分之一以下，將兩者的年齡差值縮小到了138 億年。哈伯透過測量被稱為”仙王座變星”的重要里程碑，完善了所謂的”宇宙距離階梯”，從而實現了這一目標。

然而，哈伯值與其他測量結果並不一致，其他測量結果顯示宇宙在大爆炸後膨脹得更快。這些觀測資料是由歐空局普朗克衛星對宇宙微波背景輻射繪製的地圖得出的，而宇宙微波背景輻射是宇宙從大爆炸冷卻下來後結構演變的藍圖。

解決這個難題的簡單方法是說，也許哈伯的觀測結果是錯誤的，因為它對深空尺度的測量出現了誤差。詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的出現，讓天文學家能核對哈伯的觀測結果。韋伯對仙王座的紅外線觀測結果與哈伯的光學數據一致。韋伯證實了哈伯望遠鏡敏銳的目光一直都是正確的，消除了對哈伯測量結果的任何疑慮。

這些並排影像的中心是一種特殊的恆星，它是測量宇宙膨脹速度的里程標–仙王座變星。這兩張影像的像素非常高，因為它們是一個遙遠星系的放大圖。每個像素代表一顆或多顆恆星。詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）拍攝的影像在近紅外線波段要比哈伯望遠鏡（主要是可見光-紫外光望遠鏡）清晰得多。透過韋伯更清晰的視野來減少雜波，仙王座就能更清晰地顯現出來，消除任何潛在的混淆。韋伯望遠鏡被用來觀測一個仙王座樣本，並證實了先前哈伯觀測的準確性，而哈伯觀測是精確測量宇宙膨脹速度和年齡的基礎。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Adam G. Riess（JHU、STScI）

宇宙奧秘與理論挑戰

最重要的一點是，與早期宇宙的膨脹相比，近鄰宇宙中發生的事情之間所謂的哈伯張力（Hubble Tension）仍然是宇宙學家耿耿於懷的難題。空間結構中可能存在一些我們還不了解的東西。

解決這一差異需要新的物理學嗎？還是由於確定空間膨脹率的兩種不同方法之間存在測量誤差？哈伯和韋伯現在已經聯手進行了明確的測量，進一步證明了是其他東西–而不是測量誤差–在影響膨脹率。

宇宙觀測的進展

巴爾的摩約翰-霍普金斯大學的物理學家亞當-里厄斯說：”在消除了測量誤差之後，剩下的就是我們誤解了宇宙這一真實而令人興奮的可能性。亞當因與他人共同發現了宇宙膨脹正在加速這一事實而獲得諾貝爾獎，這一現象現在被稱為’暗能量’。”

作為交叉檢驗，2023 年的首次韋伯觀測證實，哈伯對膨脹宇宙的測量是準確的。然而，為了緩解”哈伯張力”，一些科學家推測，隨著我們對宇宙的深入觀察，測量中看不見的誤差可能會增加並變得明顯。特別是，恆星擁擠可能會系統性地影響對更遙遠恆星亮度的測量。

合作驗證與未來方向

亞當領導的SH0ES（用於暗能量狀態方程式的超新星H0）小組利用韋伯望遠鏡獲得了更多的觀測數據，這些天體是關鍵的宇宙里程碑標記，被稱為仙王座變星，現在可以與哈伯數據進行關聯。

亞當說：”我們現在已經跨越了哈伯觀測到的整個範圍，我們可以非常有把握地排除測量誤差是哈伯張力的原因。”

團隊在2023 年進行的前幾次韋伯觀測成功表明，哈伯在牢固確立所謂宇宙距離階梯第一級的保真度方面走在了正確的道路上。

這幅插圖顯示了天文學家用來計算宇宙隨時間膨脹速度的三個基本步驟，這個數值稱為哈伯常數。所有這些步驟都涉及建立一個強大的”宇宙距離階梯”，首先測量附近星系的精確距離，然後再測量越來越遠的星系。這個”階梯”是一系列不同種類天體的測量結果，研究人員可以利用這些天體的固有亮度來計算距離。對於較短的距離來說，最可靠的是仙王座變星，這些恆星以可預測的速率脈動，從而顯示出它們的內在亮度。最近，天文學家利用哈伯太空望遠鏡觀測了附近大麥哲倫雲中的70 個仙王座變星，對該星系進行了最精確的距離測量。天文學家將附近的仙王座變星的測量結果與更遠星系的測量結果進行比較，這些星係還包括另一個宇宙尺度–被稱為Ia型超新星的爆炸恆星。這些超新星比仙王座變星亮得多。天文學家用它們作為”里程標”，來測量從地球到遙遠星系的距離。每一個標記都建立在”階梯”的前一步之上。透過使用不同種類的可靠”里程標”來擴展”階梯”，天文學家可以測出宇宙中非常遙遠的距離。天文學家將這些距離值與整個星系的光線測量值進行比較，由於空間的均勻膨脹，星系的光線會隨著距離的增加而逐漸變紅。這樣，天文學家就可以計算出宇宙膨脹的速度：哈伯常數。圖片來源：NASA、ESA 與A：NASA, ESA and A. Feild (STScI)

宇宙距離階梯的複雜性

天文學家使用各種方法來測量宇宙中的相對距離，這取決於所觀測的天體。這些技術統稱為宇宙距離階梯–每一級階梯或測量技術都依賴前一級階梯的校準。

但一些天文學家認為，沿著”第二梯級”向外移動，如果仙王座的測量結果隨著距離的增加而變得不那麼精確，那麼宇宙距離的階梯可能會變得不穩固。出現這種不準確的情況可能是因為仙王座的光線可能會與鄰近恆星的光線混合在一起–隨著距離的增加，這種效應可能會變得更加明顯，因為天空中的恆星會擠在一起，彼此變得更加難以區分。

觀測方面的挑戰在於，過去哈伯拍攝的這些更遙遠的仙王座變星的圖像，在我們和它們的宿主星系之間的距離越來越遠時，看起來與鄰近的恆星更加擁擠和重疊，因此需要仔細考慮這種效應。中間的塵埃使可見光測量的確定性變得更加複雜。韋伯望遠鏡能穿過塵埃，自然地將倒灶系恆星與鄰近恆星隔離開來，因為它在紅外線波段的視力比哈伯望遠鏡更敏銳。

“韋伯望遠鏡和哈伯望遠鏡的結合為我們提供了兩全其美的解決方案。我們發現，當我們沿著宇宙距離階梯爬得更遠時，哈伯的測量結果仍然是可靠的，」亞當說。

新的韋伯觀測結果包括八個Ia 型超新星的五個宿主星系，共包含1000 個蛇夫座天體，並延伸到蛇夫座天體測量結果最遠的星系–距離1.3 億光年的NGC 5468。 “這橫跨了我們用哈伯測量的全部範圍。因此，我們已經走到了宇宙距離階梯第二級的盡頭，”合著者、巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的加甘迪普-阿南德（Gagandeep Anand ）說，該研究所為美國國家航空暨太空總署（NASA）營運韋伯望遠鏡和哈伯望遠鏡。

哈伯和韋伯對”哈伯張力”的確認，為其他天文台揭開謎底創造了條件，其中包括美國宇航局即將發射的南希-格蕾絲-羅曼太空望遠鏡和歐空局最近發射的歐幾裡得任務。

目前，就好像哈伯和韋伯觀測到的距離階梯已經在河流的一側岸邊牢牢地設置了一個錨點，而普朗克觀測到的宇宙誕生之初大爆炸的餘暉則牢牢地設置在了河流的另一側。在這兩個端點之間的數十億年裡，宇宙的膨脹是如何變化的，還有待直接觀測。 「亞當說：『我們需要弄清楚，在如何連結宇宙的起點和今天，我們是否遺漏了什麼。

這些發現發表在2024年2月6日出版的《天文物理學雜誌通訊》。

編譯自: ScitechDaily