哈勃望远镜

使用美国宇航局哈勃太空望远镜的天文学家表示，他们已经越过了一个重要的门槛，揭开了测量宇宙膨胀率的两种关键技术之间的差异。最近的研究表明可能需要新理论来解释塑造宇宙的力量的情况。

简要地说，宇宙每秒都在变大。星系之间的空间正在伸展，就像烤箱里的面团一样。但宇宙的扩张速度有多快？当哈勃望远镜和其他望远镜试图回答这个问题时，他们在科学家预测和他们观察到的东西之间遇到了一个有趣的区别。

根据宇宙在130亿年前出现的情况，哈勃测量表明现代宇宙中的膨胀率比预期更快。这些早期宇宙的测量来自欧洲航天局的普朗克卫星。这种差异已在过去几年的科学论文中得到确认，但尚不清楚测量技术的差异是否应该受到质疑，或者这些差异是否可能是由测量误差引起的。

最新的哈勃数据降低了测量误差，仅为十万分之一的可能性。与不到一年前的早期估计相比，这是一个显着的提升。迄今为止，这些最精确的哈勃测量结果，提供了可能需要用新物理理论来解释这种不匹配的理由。

“在早期和晚期宇宙之间的哈勃张力可能是几十年来宇宙学中最激动人心的发展，”太空望远镜科学研究所（STScI）和马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学的首席研究员和诺贝尔奖获得者亚当·里斯说。“这种不匹配一直在增长，现在已经到了一个真正不可能被视为侥幸的地步。这种差异似乎不可能偶然发生。”

宇宙距离阶梯

此图显示了天文学家用来计算宇宙随时间膨胀的速度的三个基本步骤，即称为哈勃常数的值。所有步骤都涉及建立一个强大的“宇宙距离阶梯”，首先测量到附近星系的准确距离，然后再移动到更远和更远的星系。这个“阶梯”是对不同类型的天文物体的一系列测量，具有固有的亮度，研究人员可以使用它来计算距离。

拧紧'宇宙距离梯'上的螺栓

科学家使用“宇宙距离梯”来确定宇宙中物质的距离。这种方法取决于准确测量到附近星系的距离，然后使用它们的恒星作为里程碑标记，移动到更远和更远的星系。天文学家使用这些值，以及星系光通过拉伸宇宙时变亮的其他测量值来计算宇宙随时间膨胀的速度，这个值称为哈勃常数。Riess和他的SH0ES（状态方程的超新星H0）团队自2005年以来一直致力于通过哈勃望远镜改进这些距离测量并微调哈勃常数。

在这项新的研究中，天文学家使用哈勃望远镜观察了大麦哲伦星云中70颗称为造父变星的脉动恒星。这些观测有助于天文学家通过改进那些造父变星与他们在超新星银河系中的更远的表兄弟之间的比较来“重建”距离阶梯。Riess的团队将其哈勃恒定值的不确定性从早先估计的2.2％降低到1.9％。

随着团队的测量变得更加精确，他们对哈勃常数的计算与早期宇宙膨胀观测得出的预期值保持一致。这些测量是由普朗克进行的，它绘制了宇宙微波背景，这是大爆炸后380,000年的遗迹余辉。

测量已经过彻底的审查，因此天文学家目前无法消除两个结果之间的差距，因为任何单个测量或方法都会出现错误。这两个值都经过了多种测试。

“这不仅仅是两个不同意的实验，”Riess解释道。“我们正在衡量一些根本不同的东西。一个是衡量宇宙今天扩张的速度，正如我们所看到的那样。另一个是基于早期宇宙物理学的预测，以及它应该有多快扩展的测量如果这些价值观不一致，我们就很有可能在连接这两个时代的宇宙学模型中遗漏了一些东西。“

新研究是如何完成的

一个多世纪以来，天文学家一直使用造父变星作为宇宙尺度来测量附近的星系间距离。但是试图收获一堆这些星星是非常耗时的，几乎无法实现。因此，该团队采用了一种聪明的新方法，称为DASH（漂移和移位），使用哈勃作为“即取即拍”相机拍摄极其明亮的脉动星的快速图像，从而消除了对精确的耗时需求指点。

“当哈勃通过锁定导星使用精确定位时，它只能在地球周围的每个90分钟哈勃轨道上观察到一个造父变星。因此，望远镜观察每个造父变星是非常昂贵的，”团队成员Stefano Casertano解释说，还有STScI和约翰霍普金斯大学。“相反，我们搜索了一组彼此足够接近的造父变星，我们可以在它们之间移动，而无需重新校准望远镜指向。这些造父变星是如此明亮，我们只需要观察它们两秒钟。这种技术让我们观察到在一个轨道的持续时间内打造了造父变星器。所以，我们继续使用陀螺仪控制并且非常快速地保持“自信”。

然后，哈勃天文学家将他们的结果与另一组观测结果相结合，这是由南洋地区项目制作的，这是来自智利，美国和欧洲机构的天文学家之间的合作。该小组通过观察光线的变暗来对大麦哲伦星云进行距离测量，因为一颗恒星在它的伙伴面前经过双星系统。

综合测量结果帮助SH0ES团队改善了造父变星的真实亮度。通过这个更准确的结果，团队可以“拉紧”距离阶梯其余部分更深入太空的螺栓。

哈勃常数的新估计是74(km/s)/Mpc(Mpc表示百万秒差距，大约为300万光年)。这意味着，距离我们更远的每隔330万光年，由于宇宙的扩张，它似乎每秒移动74公里。这个数字表明宇宙的扩张速度比每平方米67(km/s)/Mpc，每公里的预测速度快9％，这是普朗克对早期宇宙的观测，加上我们目前对宇宙的理解。

普朗克卫星

那么，有什么能解释这种差异呢？

对不匹配的一种解释涉及在年轻宇宙中意外出现的暗能量，据认为它现在占宇宙内容的70％。约翰霍普金斯大学的天文学家提出，该理论被称为“早期暗能量”，并暗示宇宙演变为三幕剧。

天文学家已经假设在大爆炸后的第一秒内存在暗能量并将物质推向整个太空，开始初始扩张。暗能量也可能是宇宙今天加速扩张的原因。新理论表明，大爆炸后不久发生了第三次暗能量事件，这使宇宙膨胀的速度超过了天文学家的预测。Riess说，这种“早期暗能量”的存在可以解释两个哈勃常数值之间的张力。

另一个想法是宇宙包含一个新的亚原子粒子，它接近光速。这种快速粒子统称为“暗辐射”，并且包括先前已知的粒子，如中微子，其在核反应和放射性衰变中产生。

另一个有吸引力的可能性是暗物质（一种不是由质子，中子和电子组成的物质的不可见形式）与正常物质或辐射的相互作用比以前假设的更强烈。

但真正的解释仍然是一个谜。Riess对这个棘手的问题没有答案，但他的团队将继续使用Hubble来减少Hubble常数的不确定性。他们的目标是将不确定性降低到1％，这应该有助于天文学家找出出现差异的原因。