哈勃太空望远镜拍摄的这张照片是螺旋星系Mrk（Markarian）1337，距离地球大约1.2亿光年。2006年，天文学家在这一星系中观测到了某种超新星爆炸，为研究人员提供了确定当前的宇宙膨胀率所需的一些数据。摄影：欧洲航天局/哈勃和美国宇航局，A. Riess等。
撰文：MICHAEL GRESHKO
这是现代天文学中最大的谜题之一：根据对恒星和星系的多次观察，宇宙似乎正在以比目前最完备的宇宙模型所预测的速度更快地膨胀。解决这一难题的证据多年来一直在积累，一些研究人员称其为宇宙学中迫在眉睫的危机。
现在，一组研究人员利用哈勃太空望远镜收集了大量的新数据，他们发现，这种差异可以算作“统计学意义上的偶然现象”的概率是百万分之一。换句话说，目前看来更有可能的情况是，宇宙中有些基本成分，或者是已知成分的一些意想不到的效果，天文学家还没有确定下来。
约翰霍普金斯大学的天文学家Adam Riess说：“宇宙似乎给我们带来了很多惊喜，这是一件好事，因为它可以帮助我们学习和了解更多。”
这一难题被称为“哈勃张力”，以天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名。1929年，他观察到一个现象：离我们越远的星系退行速度越快，并为“宇宙始于大爆炸，并自那以后不断膨胀”这一概念铺平了道路。
研究人员试图用两种主要的方法来测量宇宙目前的膨胀速度：一种是靠测量我们到附近恒星之间的距离，另一种是通过绘制可追溯到新生宇宙的微弱光辉。这两种方法都检验着我们对拥有超过130亿年历史的宇宙的理解。这项研究还发现了一些关键的宇宙成分，比如“暗能量”，它是推动宇宙加速膨胀的神秘力量。
但这两种方法对“当前的宇宙膨胀率”的测量结果相差约8%。这一差异听起来可能并不大，但如果这个差异真实存在，那就表明宇宙现在的膨胀速度甚至超过了暗能量所能解释的速度——也就意味着我们对宇宙的解释出现了一些漏洞。
研究人员在上周提交给《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）的几项研究中描述了他们的发现，他们利用特定类型的恒星和恒星爆炸来测量我们和附近星系之间的距离。该数据集包括对42个不同的恒星爆炸的观测，数据数量是同类分析中规模第二大的两倍多。根据该团队的研究成果，他们的新分析和早期宇宙测量结果之间的张力已经达到了五Σ（sigma），Σ是粒子物理学中用来确认新粒子存在的统计阈值。
其他天文学家看到，数据中可能存在误差空间，这意味着哈勃张力仍有可能只是一个伪命题。
然而，"我不知道这么大的误差是如何完美隐藏的，如果它真实存在，此前也从未有人提出过这一点，"团队成员、杜克大学的天文学家Dan Scolnic说。"我们已经检查了所有摆在我们面前、所有能推断出的想法，却没有任何一种能提供合理解释。"
宇宙微波和宇宙距离阶梯
哈勃张力来自于测量或预测宇宙目前膨胀率的尝试，也就是哈勃常数。利用它，天文学家可以估计大爆炸以来宇宙的年龄。
哈勃常数的一种计算方法是依靠宇宙微波背景辐射（CMB），这是一种微弱光芒，形成于宇宙仅38万年时。欧洲航天局普朗克天文台望远镜等已经测量了CMB，提供了宇宙早期物质和能量分布的详细信息，以及背后的物理原理。
Lambda-CDM 模型可以预测宇宙的许多特性，并已经取得了惊人的成功。宇宙学家可以运用这一模型，借助数学方法“快进”到宇宙微波背景辐射中所看到的早期宇宙，并预测出现在的哈勃常数应该是多少。这个方法的预测结果是：宇宙以67.36公里/秒/百万秒差距（一百万秒差距等于326万光年）的速度膨胀。
相比之下，其他团队则通过观察“本地”数据来测量哈勃常数：即距离我们相对较近的更现代的恒星和星系。这个版本的计算需要两种数据：一个星系的退行速度有多快，以及这个星系距离我们有多远。这就需要天文学家们借助所谓“宇宙距离阶梯”这一方法。
Riess所在的研究小组SH0ES为新研究搭建了宇宙距离阶梯——从测量我们与某些被称为造父变星变量的恒星之间的距离开始。造父变星之所以有价值，是因为它们本质上就像已知瓦数的频闪灯：它们有规律地变亮和变暗，造父变星越亮，它们的脉动就越慢。利用这一原理，天文学家可以根据造父变星的脉动周期估算出更遥远的造父变星的内在亮度，并最终计算出这些恒星与我们的距离。
为了把阶梯延伸得更远，天文学家根据1a型超新星的恒星爆炸增加了一些梯级。通过研究同时拥有造父变星和1a型超新星的星系，天文学家可以计算出超新星亮度和距离之间的关系。由于1a型超新星比造父变星要亮得多，因此可以在更远的地方观测到它们，这让天文学家可以将测量范围扩大到宇宙深处的星系。
对变化的核算
问题是，精确测量所有这些恒星和超新星是极其复杂的。从技术上讲，并不是所有的造父变星和1a型超新星看起来都完全一样：有些可能有不同成分，不同颜色，或者不同类型的宿主星系。天文学家花了许多年的时间来研究如何解释所有这些变化——但要确定某些隐藏的误差来源是否也给这些变化起到了推波助澜的作用，也是极其困难的。
为了解决这些问题，一个名为“Pantheon ”的合作研究小组详尽地分析了自1981年以来收集的1701次1a型超新星观测数据。分析包括量化所有已知的不确定性和偏差来源的努力。
“我们关心的是，比如，1991年11月的天气和望远镜的观测情况——这是很困难的，”杜克大学的Scolnic说，他与哈佛-史密森天体物理学中心的研究员Dillon Brout共同负责Pantheon 。
该发现为Riess和SH0ES的其他研究员的分析提供了依据。在对可能影响造父变星观测的因素进行了类似详尽的交叉核对之后，该团队对哈勃常数做出了迄今为止最准确的估计：每百万秒差距为73.04千米/秒，正负1.04。这比从普朗克天文台测量的CMB中推断出来的值高出8%。
研究小组还不遗余力地测试外部科学家对其哈勃常数估计值高于普朗克常数的想法。总之，研究人员对他们的分析进行了67种变体的分析，其中许多变体使得局势更为复杂。
里斯说：“我认为，我们已经仔细听取了许多关切和问题。”“这不仅仅是一场‘快变’……我们所做的事犹如深挖兔子洞。”
未知的宇宙
不过近年来，芝加哥大学的Wendy Freedman一直在研究一种不依赖于脉冲恒星的估算方法。相反，她使用一组特定的红巨星，它们也像已知功率的灯泡一样。基于这些对照的“标准烛光”，也就是已知固有亮度的物体，弗里德曼对哈勃常数的独立估计是69.8千米/秒/百万秒差距——在其他两个测量值的中间。
Freedman说，尽管该团队的工作非常细致，但仍有可能存在尚未发现的错误影响分析，也许会造成一种虚假的张力。她补充说，一些不确定性的来源也是不可避免的。首先，只有三个星系离银河系足够近，我们可以直接测量它们的距离，而宇宙距离阶梯的基础就在这三个星系上。
“3是一个很小的数字，但这是自然赋予我们的，”弗里德曼说。
Pantheon 和SH0ES团队对Freedman和其他人的结果进行了长期观察，研究了如果Freedman的首选恒星与造父变星和1a型超新星一起添加到宇宙距离阶梯中会发生什么。根据他们的研究，囊括这些额外的恒星会略微降低对哈勃常数的估计，但并不能抹灭哈勃张力的存在。
如果哈勃张力确实反映了物理现实，那么解释它可能需要在我们的宇宙基本成分清单上再加一项。
其中一个有力的理论“竞争者”，称为早期暗能量，提出在大爆炸大约5万年后，曾有过一次短暂的暗能量爆发。原则上，短暂的额外暗能量信号可以改变早期宇宙的膨胀，足以解决哈勃张力，而不会过多地扰乱宇宙学的标准模型。
但在这个过程中，宇宙学家对宇宙年龄的估计将从目前的138亿年降至约130亿年。
德克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家Mike Boylan-Kolchin说：“其实有很多问题，为什么你要引入这个新的东西，它刚出现又消失了——这感觉有点好笑”。但我们现在的处境是，如果这些东西真的有那么大的差异，也许我们必须开始在宇宙角落中进行搜寻。”
到目前为止，还没有关于早期暗能量的确凿证据，尽管一些迹象已经浮现在研究人员头脑中。今年9月，智利的阿塔卡马宇宙学望远镜（一个测量宇宙微波背景辐射的设备）表明，一个包含早期暗能量的模型比标准宇宙学模型更符合它的监测数据。而普朗克望远镜的数据与之不符，因此需要未来更多观测才能揭开谜团的谜底。
其他观测站的观测结果也应该有助于研究哈勃张力。例如，欧洲航天局的盖亚卫星自2014年以来一直在绘制银河系的地图，对我们与银河系的许多恒星（包括造父变星）之间的距离进行了越来越精确的估算。即将于本月晚些时候发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜将帮助天文学家再次检查哈勃对某些恒星的测量结果。
“我们在一切可能性的范围之内进行研究”，Freedman说：“我们会弄清问题的真相。”
（译者：张淏然）
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