韦伯测量揭示了哈勃张力之谜

当你试图解决宇宙学中最大的难题之一时，你应该仔细检查你的作业。这个谜题被称为“哈勃张力”，即宇宙目前的膨胀速度比天文学家根据宇宙的初始条件和我们目前对宇宙演化的理解所预期的要快。天文学家使用美国宇航局/欧洲航天局哈勃太空望远镜和许多其他望远镜不断发现一个数字与欧洲航天局普朗克任务观测结果的预测不符。解决这种差异是否需要新的物理学?或者是用于确定空间膨胀率的两种不同方法之间的测量误差的结果?

建造哈勃望远镜的科学理由之一是利用其观测能力来提供宇宙膨胀率的精确值。

在 1990 年哈勃发射之前，地面望远镜的观测产生了巨大的不确定性。根据膨胀率推算的值，宇宙的年龄可能在 10 到 200 亿年之间。

在过去的 34 年里，哈勃望远镜将这一测量的精度缩小到了 1% 以下，将年龄值缩小到了 138 亿年。

这是通过测量被称为造父变星的重要里程碑标记来完善所谓的“宇宙距离阶梯”来实现的。

然而，哈勃值与其他暗示宇宙在大爆炸后膨胀得更快的测量结果并不相符。

这些观测结果是由欧洲航天局的普朗克卫星绘制的宇宙微波背景(CMB)辐射测绘得出的。

解决这个困境的简单方法是，哈勃的观测结果可能是错误的，因为它对深空尺度的测量存在一些不准确性。

然后詹姆斯·韦伯太空望远镜出现，使天文学家能够交叉检查哈勃的结果。

韦伯对造父变星的红外观测与哈勃的光学数据一致。

韦伯证实哈勃望远镜敏锐的目光始终是正确的，消除了对哈勃测量结果的任何挥之不去的怀疑。

最重要的是，附近宇宙中发生的事情与早期宇宙膨胀之间的哈勃张力仍然是宇宙学家们挥之不去的难题。

天文学家说：“太空结构中可能存在一些我们尚不了解的东西。”

“解决这种差异需要新的物理学吗?或者这是用于确定空间膨胀率的两种不同方法之间的测量误差的结果?”

哈勃和韦伯现在已经联手进行了明确的测量，进一步证明了其他因素(而不是测量误差)正在影响膨胀率。

约翰·霍普金斯大学物理学家、SH0ES(暗能量状态方程超新星 H0)负责人 Adam Riess 博士说：“测量误差被消除后，剩下的就是我们误解了宇宙的真实且令人兴奋的可能性。” ) 团队。

作为交叉核对，2023 年韦伯的初步观测证实了哈勃对膨胀宇宙的测量是准确的。

然而，为了缓解哈勃张力，一些科学家推测，随着我们更深入地观察宇宙，测量中看不见的误差可能会增加并变得可见。

特别是，恒星拥挤可能会系统地影响更遥远恒星的亮度测量。

SH0ES 团队与韦伯一起获得了对造父变星等关键宇宙里程碑标记物体的额外观测，这些观测结果现在可以与哈勃数据相关联。

“我们现在已经跨越了哈勃观测到的整个范围，我们可以非常有信心地排除测量误差作为哈勃张力的原因，”里斯博士说。

该团队在 2023 年进行的前几次韦伯观测成功地表明，哈勃在坚定地建立所谓宇宙距离阶梯第一级的保真度方面走在正确的轨道上。

天文学家根据所观测的物体，使用各种方法来测量宇宙中的相对距离。

这些技术统称为宇宙距离阶梯——每个梯级或测量技术都依赖于前一步进行校准。

但一些天文学家认为，沿着第二级向外移动，如果造父变星测量随着距离变得不那么准确，宇宙距离阶梯可能会变得不稳定。

之所以会出现这种不准确的情况，是因为造父变星的光可能与相邻恒星的光混合在一起——随着恒星在天空中聚集在一起，变得更难以区分，随着距离的增加，这种效应可能会变得更加明显。

观测面临的挑战是，过去哈勃拍摄的这些更遥远的造父变星的图像看起来更加拥挤，并且与我们和它们的宿主星系之间的距离越来越远的邻近恒星重叠，需要仔细考虑这种效应。

灰尘的介入使可见光测量的确定性进一步复杂化。

韦伯望远镜切开尘埃，自然地将造父变星与邻近的恒星隔离开来，因为它在红外波长上的视野比哈勃望远镜的视野更清晰。

“韦伯和哈勃的结合给我们带来了两全其美的效果。我们发现，当我们沿着宇宙距离阶梯爬得更远时，哈勃测量仍然可靠，”里斯博士说。

新的韦伯观测包括 5 个由 8 个 Ia 型超新星组成的宿主星系，总共包含 1,000 个造父变星，并延伸到已充分测量造父变星的最远星系——NGC 5468，距离 1.3 亿光年。

“这涵盖了我们用哈勃望远镜进行测量的整个范围。所以，我们已经到达了宇宙距离阶梯第二级的末端，”太空望远镜科学研究所的天文学家加甘迪普·阿南德博士说。

该团队的论文发表在《天体物理学杂志快报》上。