宇宙膨胀率之谜越过了重要的门槛

这是基于地面的望远镜对大麦哲伦星云的观察，麦哲伦星云是我们银河系的卫星星系。由哈勃太空望远镜拍摄的插图图像显示了散布在整个矮星系中的众多星团之一。星团成员包括一类特殊的脉动星，称为造父变星，该变星以与其固有亮度相对应的可预测速率变亮和变暗。一旦天文学家确定了该值，他们就可以测量这些恒星发出的光，从而计算出到银河系的准确距离。当新的哈勃观测结果与大麦哲伦星云的独立距离测量技术（使用直接三角函数）相关联时，研究人员便能够加强所谓的“宇宙距离阶梯”的基础。这种“微调”极大地提高了宇宙扩展速度的精确度，该速度被称为哈勃常数。学分：NASA，ESA，A。Riess（STScI / JHU）和Palomar数字化天空测量

使用NASA哈勃太空望远镜的天文学家说，他们在揭示两种用于测量宇宙膨胀率的关键技术之间的差异时已经跨越了一个重要的门槛。最近的研究证实了可能需要新的理论来解释塑造宇宙的力量的情况。

简要回顾：宇宙每秒钟都在变大。星系之间的空间正在伸展，就像面团在烤箱中升起一样。但是宇宙膨胀的速度有多快？当哈勃望远镜和其他望远镜试图回答这个问题时，它们在科学家的预测和观测之间就产生了一个有趣的差异。

哈勃的测量结果表明，根据宇宙在130亿年前的出现方式，现代宇宙的膨胀速度比预期的要快。这些对早期宇宙的测量来自欧洲航天局的普朗克卫星。在过去的几年中，这种差异已经在科学论文中得到了确认，但是目前尚不清楚是否应该归咎于测量技术的差异，或者这种差异是否可能是由不幸运的测量结果引起的。

最新的哈勃（Hubble）数据降低了差异只是10万分之一的fl幸的可能性。与不到一年前的早先估计（每3,000个机会中有1个）相比，这是一个巨大的收益。

迄今为止，这些最精确的哈勃测量结果证实了可能需要新的物理学来解释这种失配的想法。

马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所（STScI）和约翰·霍普金斯大学的首席研究员，诺贝尔奖获得者亚当·里斯（Adam Riess）说：“早晚宇宙之间的哈勃张力可能是几十年来宇宙学中最令人兴奋的发展。”“这种失衡一直在加剧，现在已经到了无法以as幸消除的地步。这种差异不可能只是偶然地发生。”

拧紧“宇宙距离阶梯”上的螺栓

科学家使用“宇宙距离阶梯”来确定宇宙中事物的距离。此方法取决于对距附近星系的距离进行精确测量，然后再将它们的恒星用作里程碑标记，从而移动到越来越远的星系。天文学家使用这些值，以及对星系光通过伸展的宇宙时变红的其他测量结果，来计算宇宙随时间扩展的速度，该值称为哈勃常数。自2005年以来，Riess和他的SH0ES（状态方程的超新星H0）团队一直在寻求用哈勃优化这些距离测量值并微调哈勃常数。

在这项新研究中，天文学家使用哈勃望远镜观测了大麦哲伦星云中的70个脉动星，称为造父变星。这些观测结果通过改进这些造父变星与它们在超新星银河系中较远的表亲之间的比较，帮助天文学家“重建”了距离阶梯。Riess的小组将哈勃常数的不确定性从早先的2.2％降低到了1.9％。

随着研究小组的测量变得越来越精确，他们对哈勃常数的计算与从早期宇宙膨胀观测得出的期望值相矛盾。这些测量是由普朗克（Planck）进行的，它绘制了宇宙微波背景图，这是大爆炸后38万年的遗迹。

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，这是由于任何单个测量或方法中的错误所致。这两个值均经过多种方式测试。

“这不仅仅是两个不同意的实验，” Riess解释说。“我们正在测量一些根本不同的东西。正如我们所见，一种方法是衡量当今宇宙的发展速度。另一种是基于早期宇宙的物理学以及对它应该扩展多快的测量的预测。如果这些价值观不同意，那么我们很有可能会错过连接两个时代的宇宙学模型中的某些东西。”

该图显示了天文学家用来计算宇宙随时间扩展速度的三个基本步骤，该值称为哈勃常数。所有步骤都包括建立一个强大的“宇宙距离阶梯”，首先要测量到附近星系的精确距离，然后再移到越来越远的星系。这个“阶梯”是对各种天文物体的一系列测量结果，具有固有的亮度，研究人员可以用来计算距离。对于较短的距离，最可靠的是造父变星，即以可预见的速率脉动的恒星指示其固有亮度。天文学家最近使用哈勃太空望远镜观察附近大麦哲伦星云中的70个造父变星，以对该星系进行最精确的距离测量。天文学家将附近造父变星的测量结果与遥远星系中的测量结果进行了比较，星系中还包括另一个宇宙尺度，它们爆炸了称为Ia型超新星的恒星。这些超新星比造父变星的亮得多。天文学家将它们用作“里程碑标记”，以衡量从地球到遥远星系的距离。这些标记中的每一个都基于“阶梯”中的上一个步骤。通过使用各种可靠的里程碑标记来扩展梯子，天文学家可以到达宇宙中非常大的距离。天文学家将这些距离值与整个星系光的测量值进行比较，由于空间的均匀扩展，整个星系光随着距离的增加而逐渐变红。然后，天文学家可以计算出宇宙膨胀的速度：哈勃常数。学分：NASA，ESA和A.Feild（STScI）

新研究如何完成

天文学家已经使用造父变星作为宇宙尺度，来测量附近星系之间的距离已有一个多世纪了。但是，试图收获一堆这些恒星非常耗时，几乎是无法实现的。因此，该团队采用了一种聪明的新方法，称为DASH（漂移和移位），使用哈勃望远镜作为“傻瓜相机”来捕捉极明亮的脉动恒星的快速图像，从而消除了耗时的对精确恒星的需求指向。

“当哈勃通过锁定制导星而使用精确指向时，它只能在绕地球的每90分钟哈勃轨道上观测到一个造父变星。因此，望远镜观测每个造父变星的成本将非常高昂。”同时也是STScI和Johns Hopkins的团队成员Stefano Casertano解释说。“相反，我们搜索了彼此距离足够近的造父变星群，我们可以在它们之间移动而无需重新校准望远镜的指向。这些造父变星是如此的明亮，我们只需要观察它们两秒钟。这项技术使我们能够在一个轨道的持续时间内观测十二个造父变星。因此，我们将继续使用陀螺仪进行控制，并保持“冲刺”的速度非常快。

然后，哈勃天文学家将其结果与Araucaria项目（智利，美国和欧洲机构的天文学家之间的合作）进行的另一组观测相结合。该小组通过观测一颗恒星越过双星系统中的伙伴之前，观察到光线的变暗，从而对大麦哲伦星云进行了距离测量。

合并的测量值帮助SH0ES小组完善了造父变星的真实亮度。有了这个更准确的结果，团队便可以“拧紧”更深的太空梯的其余距离梯子的螺栓。

对哈勃常数的新估计是每秒每秒兆帕74公里（46英里）。这意味着，由于宇宙膨胀，离我们的银河系每隔330万光年，它移动的速度似乎就加快了每秒74公里（46英里）。该数字表明，宇宙的膨胀速度比预测的每秒67英里（41.6英里）每秒兆帕的速度快9％，这是普朗克对早期宇宙的观测以及我们对宇宙的当前理解所得出的。

那么，什么可以解释这种差异呢？

这种失配的一种解释是在年轻的宇宙中意外出现了暗能量，据认为现在它占了宇宙内容的70％。该理论由约翰·霍普金斯大学的天文学家提出，被称为“早期暗能量”，并暗示宇宙像三幕剧一样演化。

天文学家已经假设，大爆炸后的头几秒钟就有暗能量存在，并推动了物质进入整个空间，从而开始了最初的膨胀。暗能量也可能是当今宇宙加速膨胀的原因。新理论表明，在大爆炸之后不久出现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们的预期。Riess说，这种“早期暗能量”的存在可以解释两个哈勃常数之间的张力。

另一个想法是，宇宙包含一个新的亚原子粒子，该粒子以接近光速的速度行进。这种快速的粒子被统称为“暗辐射”，包括先前已知的粒子（如中微子），它们是在核反应和放射性衰变中产生的。

另一个有吸引力的可能性是，暗物质（一种由质子，中子和电子组成的不可见物质形式）与正常物质或辐射的相互作用比以前设想的要强烈。

但是，真正的解释仍然是一个谜。

Riess无法解决这个令人头疼的问题，但他的团队将继续使用哈勃来减少哈勃常数的不确定性。他们的目标是将不确定度降低到1％，这将有助于天文学家确定差异的原因。

研究小组的研究结果已被接受发表在《天体物理学杂志》上。

哈勃太空望远镜是美国宇航局与欧洲航天局（ESA）之间国际合作的项目。NASA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该望远镜。位于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运作。STScI由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运营。