哈勃望远镜在宇宙膨胀率之谜中达到新的里程碑

在完成了近30年的马拉松比赛后，美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜校准了40多个空间和时间的“里程标”，以帮助科学家精确测量宇宙的膨胀率——这是一项情节曲折的任务。

这组来自美国国家航空航天局哈勃太空望远镜的36张图像以星系为特征，这些星系都是造父变星和超新星的宿主。这两种天象都是天文学家用来确定天文距离的重要工具，也被用来完善我们对哈勃常数（宇宙膨胀率）的测量。这张照片中显示的星系（从上排左到下排右）是：NGC 7541、NGC 3021、NGC5643、NGC 3254、NGC 3147、NGC 105、NGC 2608、NGC 3583、，NGC5861、NGC2525、NGC1015、UGC9391、NGC691、NGC7678、NGC2442、NGC5468、NGC5917、NGC4639、NGC3972、触角星系、NGC5584、M106、NGC7250、NGC3370、NGC5728、NGC4424、NGC1559、NGC3982、NGC1448、NGC4680、M101、NGC1365、NGC7329和NGC3447。

20世纪20年代，天文学家Edwin P.Hubble和Georges Lemaître开始对宇宙膨胀率进行测量。1998年，这导致了“暗能量”的发现，这是一种加速宇宙膨胀的神秘排斥力。近年来，由于哈勃望远镜和其他望远镜的数据，天文学家发现了另一个转折点：与大爆炸后的独立观测相比，在本地宇宙中测量的膨胀率存在差异，后者预测了不同的膨胀值。

造成这种差异的原因仍然是个谜。但哈勃望远镜的数据，包括各种用作距离标记的宇宙物体，支持了一种观点，即正在发生一些奇怪的事情，可能涉及全新的物理学。

马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）和约翰斯•霍普金斯大学的诺贝尔奖获得者Adam Riess说：“你可以从望远镜和宇宙英里标记的金标准中获得宇宙膨胀率的最精确测量。”

里斯领导了一项名为SH0ES的研究宇宙膨胀率的科学合作，SH0ES代表超新星H0，代表暗能量状态方程。里斯说：“这就是哈勃太空望远镜的初衷，它使用了我们所知道的最好的技术。这很可能是哈勃的代表作，因为哈勃还需要30年的生命才能将样本量增加一倍。”

里斯团队的论文将发表在《天体物理杂志》的《焦点特刊》上，报告了哈勃常数的最大更新，也可能是最后一次重大更新。新的结果是之前宇宙距离标记样本的两倍多。他的团队还重新分析了之前的所有数据，整个数据集现在包括1000多个哈勃轨道。

当美国国家航空航天局在20世纪70年代构想出一台大型太空望远镜时，花费和非凡的技术努力的主要理由之一是能够解析造父变星，即在我们的银河系和外部星系中看到的周期性变亮和变暗的恒星。自1912年天文学家Henrietta Swan Leavitt发现造父变星以来，它们一直是宇宙英里标记的黄金标准。为了计算更大的距离，天文学家使用被称为Ia型超新星的爆炸恒星。

这些物体结合在一起，在宇宙中建立了一个“宇宙距离阶梯”，对测量宇宙膨胀率至关重要，以埃德温•哈伯的名字命名为哈勃常数。这个值对于估计宇宙的年龄至关重要，并为我们对宇宙的理解提供了一个基本的测试。

从1990年哈勃发射后开始，两个团队对造父恒星进行了第一组观测，以完善哈勃常数：由温迪•弗里德曼、罗伯特•肯尼库特•杰瑞米•莫尔德和马克•阿朗森领导的HST关键项目，以及由艾伦•桑达奇及其合作者领导的另一个项目，该项目使用造父恒星作为里程标来完善与附近星系的距离测量。到21世纪初，这些团队宣布“任务完成”，哈勃常数的精度达到了10%，即每秒每兆秒差距72正负8公里。

2005年和2009年，哈勃望远镜上增加了强大的新相机，启动了哈勃恒定研究的“第二代”，团队开始将数值精确到只有1%的精度。这是由SH0ES计划启动的。包括SH0ES在内的几个使用哈勃望远镜的天文学家团队已经将哈勃常数收敛到每秒73公里/秒/百万秒差距。虽然其他方法已经被用于研究哈勃常数问题，但不同的团队已经得出了接近相同数字的值。

SH0ES团队包括约翰•霍普金斯大学的袁文龙博士、德克萨斯农工大学的Lucas Macri博士、STScI的Stefano Casertano博士和杜克大学的Dan Scolnic博士。该项目旨在通过与哈勃常数的精度相匹配来对宇宙进行划分，哈勃常数是通过研究宇宙黎明时遗留的宇宙微波背景辐射推断出的。

ICREA和国际商会巴塞罗那大学的宇宙学家Licia Verde博士在谈到SH0ES团队的工作时说：“哈勃常数是一个非常特殊的数字。它可以用来从过去到现在穿针引线，对我们对宇宙的理解进行端到端的测试。这需要大量的详细工作。”

该团队用哈勃望远镜测量了42个超新星里程标。因为人们看到它们以每年大约一颗的速度爆炸，哈勃望远镜为了所有实际目的，记录了尽可能多的超新星，以测量宇宙的膨胀。里斯说：“我们有一个哈勃望远镜在过去40年中观测到的所有超新星的完整样本。”就像百老汇音乐剧《俄克拉何马州》中歌曲《堪萨斯城》中的歌词一样，哈勃“已经变得像毛皮一样了！”

奇怪的物理学？

据预测，宇宙的膨胀速度比哈勃实际看到的要慢。通过结合宇宙的标准宇宙学模型和欧洲航天局普朗克任务的测量结果（该任务观测了138亿年前遗留的宇宙微波背景），天文学家预测哈勃常数的值较低：67.5±0.5公里/秒/兆秒差距，而SH0ES团队的估计值为73。

里斯说，考虑到哈勃望远镜的样本量很大，天文学家因抽签不走运而出错的可能性只有百万分之一，这是物理学中认真对待问题的常见阈值。这一发现解开了宇宙动力学演化的一幅美丽而整洁的画面。天文学家无法解释局部宇宙与原始宇宙膨胀率之间的脱节，但答案可能涉及额外的宇宙物理学。

这些令人困惑的发现使像里斯这样的宇宙学家的生活更加令人兴奋。30年前，他们开始测量哈勃常数来作为宇宙的基准，但现在它变得更加有趣了。“事实上，我不在乎膨胀值具体是多少，但我喜欢用它来了解宇宙，”里斯补充道。

美国国家航空航天局的新韦伯太空望远镜将在哈勃望远镜的基础上，以比哈勃望远镜所能看到的更远的距离或更高的分辨率显示这些宇宙里程标。

哈勃太空望远镜是美国国家航空航天局和欧洲航天局之间的国际合作项目。美国国家航空航天局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理这架望远镜。马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃望远镜的科学操作。STScI由华盛顿特区的大学天文学研究协会为NASA运营。