韦伯证实了哈勃测量的宇宙膨胀率的准确性，加深了哈勃常数张力之谜

何一方88

（）据美国宇航局：宇宙膨胀的速率，即哈勃常数，是理解宇宙演化和最终命运的基本参数之一。然而，在用各种独立的距离指示器测量的常数值和从大爆炸余辉预测的常数值之间，可以看到一个持续的差异，称为“哈勃张力”。



美国宇航局的NIRCam(近红外相机)和哈勃的WFC3(宽视场相机3)的综合观测显示了螺旋星系NGC 5584，它距离地球7200万光年。NGC 5584的发光恒星中有被称为造父变星的脉动恒星和Ia型超新星，这是一类特殊的爆炸恒星。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。鸣谢:美国航天局、欧空局、加空局和A. Riess (STScI)。

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜提供了新的能力来仔细检查和提炼这种紧张关系的一些最强有力的观测证据。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·里斯介绍了他和他的同事们最近利用韦伯观测提高哈勃常数局部测量精度的工作。

“你有没有努力去看清你视野边缘的一个标志？上面写了什么？这是什么意思？即使使用最强大的望远镜，天文学家想要读取的“迹象”也显得如此之小，以至于我们也难以分辨。

“宇宙学家想要读取的符号是一个宇宙速度极限符号，它告诉我们宇宙膨胀的速度——一个叫做哈勃常数的数字。我们的星座被写在遥远星系的星星上。这些星系中某些恒星的亮度告诉我们它们有多远，因此这种光传播了多长时间才能到达我们这里，星系的红移告诉我们宇宙在这段时间内膨胀了多少，从而告诉我们膨胀率。



图名为“近红外中不拥挤的造父变星”左图:一个螺旋星系的彩色图像被标记为“NGC 5584(韦伯NIRCam +哈勃WFC3)”旋臂的一部分用一个方框勾勒出来。盒子里面是一个红色的实心圆圈。中间:一组两个图表，显示了方框区域的放大视图。上图显示哈勃指向一个大的透明盒子。底部的长边标记为“深度”盒子里有许多重叠的大小不同的蓝绿色球体，中间有一个红色球体。下图显示韦伯指向一个几乎相同的盒子。这个盒子里的球体要小得多，重叠部分也少。红色的球标着“造父变星”右图:两幅正方形灰度图像。顶部标有“HST WFC3-IR”底部标有“JWST·尼卡姆”顶部图像中的像素明显大于底部图像中的像素。下图中的黑点更小、更明显、数量更多。这张图表显示了美国宇航局的哈勃和韦伯太空望远镜在确定一类特殊变星的精确距离方面的联合力量，这类变星用于校准宇宙的膨胀率。这些造父变星可见于拥挤的星域。来自周围恒星的光污染可能会降低对造父变星亮度的测量精度。韦伯更敏锐的红外视觉使得造父变星目标更清晰地从周围的恒星中分离出来，如图右侧所示。韦伯的数据证实了30年来哈勃对造父变星的观测的准确性，这些观测对于建立测量宇宙膨胀率的宇宙距离阶梯的底部至关重要。在左边，NGC 5584是由韦伯的NIRCam(近红外照相机)和哈勃的宽视场照相机3合成的。图片鸣谢:NASA，ESA，A. Riess (STScI)，W. Yuan (STScI)。

“一类特殊的恒星，造父变星，给了我们一个多世纪以来最精确的距离测量，因为这些恒星异常明亮:它们是超巨星，亮度是太阳的十万倍。更重要的是，它们在数周的时间内脉动(即大小膨胀和收缩)，这表明了它们的相对亮度。周期越长，它们本身就越亮。它们是测量一亿光年或更远的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小空间内，因此我们经常缺乏分辨率来将它们从它们的视线邻居中分离出来。

“建造哈勃太空望远镜的一个主要理由就是为了解决这个问题。在哈勃1990年发射和随后的造父变星测量之前，宇宙的膨胀速度是如此不确定，天文学家不确定宇宙是否已经膨胀了100亿或200亿年。那是因为更快的膨胀速度会导致宇宙年龄更年轻，而更慢的膨胀速度会导致宇宙年龄更老。哈勃比任何地面望远镜都有更好的可见光波长分辨率，因为它位于地球大气模糊效应之上。因此，它可以识别出一亿多光年以外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，才能看到光线毫发无损地穿过中间的尘埃。(灰尘吸收并散射蓝色的光学光线，使远处的物体看起来很微弱，并欺骗我们相信它们比实际情况更远)。不幸的是，哈勃的红光视觉没有它的蓝光敏锐，所以我们在那里看到的造父星星光与它视野中的其他恒星混合在一起。我们可以从统计学上计算混合的平均量，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出你的体重一样，但这样做会给测量增加噪声。有些人的衣服比其他人的重。

“然而，敏锐的红外视觉是詹姆斯·韦伯太空望远镜的超能力之一。凭借其巨大的反射镜和灵敏的光学系统，它可以很容易地将造父变星的光从邻近的恒星中分离出来，几乎没有混合。在韦伯与我们的一般观测者计画1685合作的第一年，我们收集了哈勃在宇宙距离阶梯的两个阶段发现的造父变星的观测资料。第一步包括在一个已知几何距离的星系中观察造父变星，这使我们能够校准造父变星的真实光度。在我们的节目中，这个星系是NGC 4258。第二步是观察最近Ia型超新星的宿主星系中的造父变星。前两个步骤的结合将传递到超新星的距离信息，以校准它们的真实亮度。第三步是观察那些遥远的超新星，那里的宇宙膨胀很明显，可以通过比较从它们的亮度和超新星宿主星系的红移推断的距离来测量。这一系列步骤被称为距离阶梯。

“我们最近从第一步和第二步中获得了我们的第一次韦伯测量，这使我们能够完成距离阶梯，并与哈勃之前的测量进行比较(见图)。由于天文台在近红外波长的分辨率，韦伯的测量大大减少了造父变星测量中的噪声。这种改进是天文学家梦寐以求的！我们在前两级观测到超过320个造父变星。我们证实了早期哈勃太空望远镜的测量是准确的，尽管噪音更大。我们还用韦伯观测了另外四个超新星宿主，我们看到了整个样本的类似结果。



用于测量距离的造父周期-光度关系的比较。红点来自美国宇航局的韦伯，灰点来自美国宇航局的哈勃。顶部面板是NGC 5584，Ia型超新星宿主，插图显示了每台望远镜看到的同一造父变星的图像。下图是NGC 4258，这是一个已知几何距离的星系，插图显示了每台望远镜测量的NGC 5584和NGC 4258之间距离模数的差异。这两台望远镜非常一致。图片鸣谢:NASA、ESA、A. Riess (STScI)、G. Anand (STScI)。

“这个结果仍然不能解释为什么宇宙看起来膨胀得如此之快！我们可以通过观察宇宙的婴儿照片，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着时间的推移而增长的最佳模型来告诉我们今天宇宙应该以多快的速度膨胀。事实上，目前对膨胀速率的测量大大超过了预测，这是一个被称为“哈勃张力”的长达十年的问题。“最令人兴奋的可能性是，这种张力是我们对宇宙的理解中缺失的一些东西的线索。

“它可能表明外来暗能量、外来暗物质的存在，修正我们对引力的理解，或者独特粒子或场的存在。更通俗的解释是多个测量误差在同一个方向上合谋(天文学家已经通过使用独立的步骤排除了单个误差)，所以这就是为什么以更高的保真度重做测量如此重要。随着韦伯证实了来自哈勃的测量结果，韦伯的测量结果提供了迄今为止最强有力的证据，表明哈勃造父变星测光的系统误差在目前的哈勃张力中没有发挥重要作用。因此，更有趣的可能性仍然摆在桌面上，紧张局势的神秘性加深了。”

编者按:这篇文章强调了一篇被《天体物理学杂志》接受的论文中的数据。

作者:

Adam Riess是约翰·霍普金斯大学的彭博杰出教授，JHU·克里格艺术与科学学院的Thomas J. Barber空间研究教授，空间望远镜科学研究所的杰出天文学家，2011年诺贝尔物理学奖获得者。