長期以來，科學家們一直對宇宙膨脹速度的差異感到困惑，但詹姆斯韋伯太空望遠鏡提供的更清晰的新數據可能最終會解開這個謎團。通過使用強大的紅外儀器改進距離測量并分析爆炸的恒星和紅巨星，研究人員已經將之前相互沖突的哈勃常數值統一起來。

科學家們利用強大的新詹姆斯·韋伯太空望遠鏡對多個星系拍攝的數據，對宇宙膨脹速度進行了新的計算。上圖是韋伯望遠鏡拍攝的NGC 1365星系的圖像。圖片來源：科學：NASA、ESA、CSA，Janice Lee（NOIR實驗室），圖像處理：Alyssa Pagan（STScI）

宇宙之謎：相互沖突的膨脹率

多年來，科學家一直在追尋我們對宇宙理解中令人費解的不一致之處。

我們知道宇宙正在膨脹，但對其膨脹速度的測量卻得出了不同的答案，這取決于我們觀察的是早期宇宙還是現在的宇宙。如果兩種測量方法都正確，那么這將挑戰現代宇宙學的根本基礎。

現在，詹姆斯韋伯太空望遠鏡提供的更新、更精確的數據為我們提供了新的視角——看起來宇宙可能并沒有出現異常。

“這一新證據表明，我們的宇宙標準模型是成立的，”芝加哥大學溫迪·弗里德曼教授說，她是有關這一膨脹率（即哈勃常數）的爭論中的領軍人物。

她說：“這并不意味著我們將來不會發現與模型不一致的東西，但目前哈勃常數似乎并不是這樣。”

該研究結果發表在5月27日的《天體物理學雜志》上。

測量宇宙增長的兩種方法

為了弄清楚宇宙膨脹的速度，科學家使用了兩種主要技術。

第一項研究涉及宇宙大爆炸遺留下來的古老光。這種被稱為宇宙微波背景的光至今仍在太空中傳播，為我們提供了早期宇宙的快照。

弗里德曼專注于第二種方法——測量宇宙在當今更接近地球的膨脹速度。令人驚訝的是，這項任務難度更大。測量浩瀚宇宙尺度的距離極其復雜，需要仔細觀察恒星和星系。

超新星和恒星基準

在過去的半個世紀左右，科學家們提出了許多測量相對較近距離的方法。一種方法是捕捉某一類恒星在其峰值亮度下（即在其生命末期爆發為超新星時）發出的光。如果我們知道這些超新星的最大亮度，測量它們的視光度就能計算出它的距離。額外的觀測可以告訴我們發生超新星的星系遠離我們的速度有多快。弗里德曼還開創了另外兩種方法，利用了我們對另外兩種恒星的了解：紅巨星和碳星。

然而，在最終確定距離之前，必須對這些測量結果進行多項修正。科學家首先必須考慮宇宙塵埃，這些塵埃會使我們與其宿主星系中這些遙遠恒星之間的光線變暗。他們還必須檢查并修正宇宙時間中可能出現的光度差異。最后，還必須識別并修正用于測量的儀器中細微的測量不確定度。

但隨著技術的進步，例如2021 年發射功能更強大的詹姆斯韋伯太空望遠鏡，科學家們已經能夠逐漸改進這些測量方法。

“我們用于校準超新星的星系樣本增加了一倍多，”弗里德曼說。“統計上的改進非常顯著。這大大增強了結果的準確性。”

數字終于對齊

弗里德曼的最新計算綜合了哈勃望遠鏡和詹姆斯韋伯太空望遠鏡的數據，得出的值為每秒每百萬秒差距 70.4 公里，正負 3%。

這使得她的值與最近從宇宙微波背景中測量到的值在統計上一致，后者為 67.4，正負 0.7%。

韋伯望遠鏡的分辨率是哈勃望遠鏡的四倍，這使得它能夠識別之前在模糊星群中發現的單個恒星。它的靈敏度也大約是哈勃望遠鏡的十倍，從而提供了更高的精度，甚至能夠發現更暗淡的目標天體。

“我們真切地感受到詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在精確測量星系距離方面的神奇功效，”論文合著者、勞倫斯伯克利實驗室的泰勒·霍伊特說道。論文合著者、卡內基科學研究所的巴里·馬多爾補充道：“利用它的紅外探測器，我們可以穿透塵埃，而塵埃一直以來都阻礙著距離的精確測量，我們還能以更高的精度測量恒星的亮度。”

弗里德曼解釋說，天體物理學家一直在試圖提出一種理論來解釋宇宙老化過程中膨脹速度的不同。

她說：“已經有超過 1000 篇論文試圖解決這個問題，但結果卻發現這極其困難。”

科學家們仍在努力尋找描述宇宙的標準模型中的漏洞，這或許能為兩大未解之謎——暗物質和暗能量——的本質提供線索。但哈勃常數似乎越來越不適合作為研究對象。

樂觀展望未來

弗里德曼和她的團隊明年將使用韋伯望遠鏡對后發座星系團進行測量，這將從不同的角度提供更多數據，她說道。“這些測量將使我們能夠直接測量哈勃常數，而無需借助超新星。”她說：“隨著我們提高測量的準確性，我對未來幾年解決這個問題充滿信心。”

編譯自/ScitechDaily