哈勃常数争议

1929年，著名天文学家哈勃（Edwin Hubble）发现，我们的宇宙并不像过去人们所认为的那样是静态的，而是正在膨胀。自那之后，天文学家就一直试图测量宇宙究竟膨胀得有多快？然而，这个问题并没有想象中容易。

想要知道宇宙膨胀得有多快，就需要测量所谓的哈勃常数。今天，测量哈勃常数的方法主要有两种：通过宇宙微波背景测得的哈勃常数值为67.4±0.5km/s/Mpc，而通过宇宙距离阶梯得到的值则为73.0±1.0km/s/Mpc。

这两种方法被认为同样精确，但却给出了不一致的结果，使哈勃常数的数值成为了宇宙学中最重大的谜题之一。这种差异是由两种不同测量方法之间的测量误差所导致的吗？还是说我们需要新的物理学才能够解释这种差异？

在一项新的研究中，天文学家结合哈勃空间望远镜（HST）和韦布空间望远镜（JWST）的观测数据，对哈勃常数进行了新的测量，给出了最好的测量结果：新的结果进一步证实了HST的早期测量结果的准确性，证明了影响膨胀率的并非测量误差，而是存在其他因素。

宇宙距离阶梯

在HST于1990年发射之前，地面望远镜所得到的哈勃常数值有着巨大的不确定性。而在过去的30多年里，HST已经将这一测量的精度缩小到不到1%。这是通过测量造父变星（亮度会呈周期性变化的恒星）来完善“宇宙距离阶梯”而完成的。

宇宙距离阶梯是测量哈勃常数的一种最古老的方法。首先，天文学家需要通过视差法来计算银河系中造父变星的距离。然后，天文学家会在那些包含Ia型超新星的邻近星系中寻找造父变星，将这些造父变星的亮度与银河系中的那父变星的亮度进行比较，进而估算出邻近星系的距离。最后，在那些遥远星系中寻找Ia型超新星，并将它们的亮度与邻近星系中的进行比较，进而测得遥远星系的距离。通过构建这样一个强大距离阶梯，就可以计算哈勃常数的值。

然而，HST利用宇宙距离阶梯所测得的结果，却与普朗克卫星通过测量宇宙微波背景所得到的不一致。一些天文学家认为，或许HST的观测结果并不精确，因为对造父变星的测量会随着距离的增加而变得越来越不精确，导致宇宙距离阶梯变得不再可靠。

在过去由哈勃望远镜拍摄到的图像中，更远的造父变星看起来更像是挤在一起，与介于我们和它们的宿主星系之间的邻近恒星重叠。而之所以会出现这样的情况，是因为随着距离的增加，造父变星的光可能会与邻近恒星的光混合在一起。此外，尘埃的存在还会进一步复杂化可见光波段的测量的精确性。

再次确认

现在，随着JWST开始投入运行，天文学家就能够交叉检查HST的结果。JWST在红外波段的视野比HST更加清晰，它可以轻松地将造父变星与邻近的恒星区分开来。

JWST和HST对造父变星的观测比较。（图/NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)）

其实，在2023年的初步观测中，JWST就证实了哈勃对宇宙膨胀的测量是准确的。然而，一些科学家希望，如果对宇宙进行更进一步的深入观察，那么测量中的那些之前无法显现的误差，可能就会增加并显现。

在新的观测中，JWST沿着宇宙距离阶梯扩大了对造父变星的观测范围。具体来说，JWST将距离范围增加了一倍，将造父变星的样本增加了两倍（超过1000颗），同时将Ia型超新星的宿主星系数量从1个增加到5个，将用于校准的Ia型超新星的数量从1个增加到8个。

这些高清观测结果表明，JWST拍摄的造父变星红外图像与HST的光学数据一致，明确地证实了HST的观测一直是正确的，消除了对误差是由HST的测量导致的的怀疑。

诺奖得主亚当·里斯（Adam Riess）说：“排除了测量误差后，剩下的可能性就是——天文学家误解了宇宙”。由里斯领导的SH0ES小组用JWST望远镜获得了更多的观测结果，他表示：“JWST和HST的结合为我们带来了两全其美的结果。我们发现，即便沿着宇宙距离阶梯爬到更远，哈勃的测量结果仍然是可靠的。”

参考来源：

https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-hubble-telescopes-affirm-universes-expansion-rate-puzzle-persists/

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb/Webb_Hubble_confirm_Universe_s_expansion_rate

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad1ddd

封面图&首图来源：NASA/ESA/CSA/STScI/A. Riess (JHU)