韦伯证实了哈勃测量的宇宙膨胀率的准确性，加深了哈勃常数危机之谜
宇宙膨胀的速率，即哈勃常数，是理解宇宙演化和最终命运的基本参数之一。然而，在用各种独立的距离指示器测量的常数值和从大爆炸余辉预测的常数值之间，可以看到一个持续的差异，称为哈勃常数危机。
NASA的NIRCam（近红外相机）和哈勃的WFC3（第三代广域照相机）的综合观测显示，螺旋星系NGC 5584距离地球7,200万光年。在NGC 5584的发光恒星中，有被称为造父变星的脉动恒星和Ia型超新星，这是一种特殊的爆炸恒星。天文学家使用造父变星和Ia型超新星作为可靠的距离标记来测量宇宙的膨胀率。
影像来源：NASA, ESA, CSA, and A. Riess (STScI).
NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜提供了新的能力来仔细审查和完善哈勃常数危机的一些最强有力的观测证据。来自约翰斯·霍普金斯大学和太空望远镜科学研究所的诺贝尔奖获得者亚当·里斯（Adam Riess）介绍了他和他的同事最近利用韦伯观测提高哈勃常数局部测量精度的工作。
“你有没有努力去看清你视野边缘的一个标志？上面写了什么？这是什么意思？即使使用最强大的望远镜，天文学家想要读取的“迹象”也显得如此之小，以至于我们也难以分辨。
“宇宙学家想要读取的符号是一个宇宙速度极限符号，它告诉我们宇宙膨胀的速度，这个数字被称为哈勃常数。我们的符号被写在遥远星系的恒星上。这些星系中某些恒星的亮度告诉我们，它们离我们有多远，从而告诉我们这些光经过了多长时间才到达我们这里，而星系的红移告诉我们宇宙在这段时间内膨胀了多少，从而告诉我们膨胀率。
这张图表显示了NASA的哈勃和韦伯太空望远镜在确定一类特殊变星的精确距离方面的的综合能力，这类变星用于校准宇宙的膨胀率。这些造父变星可见于拥挤的星场中。来自周围恒星的光污染可能会降低对造父变星亮度的测量精度。韦伯更敏锐的红外视野使得造父变星更清晰地从周围的恒星中分离出来，如图右侧所示。韦伯的数据证实了30年来哈勃对造父变星的观测的准确性，这些观测对于建立测量宇宙膨胀率的宇宙距离阶梯的底部梯级至关重要。左边的NGC 5584是由韦伯的NIRCam（近红外照相机）和哈勃的WFC3（第三代广域照相机）合成的图像。
影像来源：NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI).
“一个多世纪以来，造父变星为我们提供了最精确的距离测量，因为这些恒星非常明亮：它们是超巨星，亮度是太阳的10万倍。更重要的是，它们在一段时间内脉动（即大小的膨胀和收缩），这表明了它们的相对亮度。周期越长，它们本身就越亮。它们是测量一亿光年以上星系距离的黄金标准工具，这是确定哈勃常数的关键一步。不幸的是，从我们遥远的有利位置来看，星系中的恒星挤在一个很小的空间里，所以我们经常缺乏将它们与视线范围内的邻居分开的分辨率。
建造哈勃太空望远镜的一个主要理由就是为了解决这个问题。在1990年哈勃发射和随后的造父变星测量之前，宇宙的膨胀率是如此不确定——天文学家不确定宇宙是否已经膨胀了100亿年或200亿年。这是因为更快的膨胀速度会导致宇宙年龄更小，而更慢的膨胀速度会导致宇宙年龄更大。哈勃望远镜的可见波长分辨率比任何地面望远镜都高，因为它位于地球大气层模糊效应之上。因此，它可以识别超过1亿光年远的星系中的单个造父变星，并测量它们改变亮度的时间间隔。
“然而，我们还必须在光谱的近红外部分观察造父变星，才能看到光线毫发无损地穿过中间的尘埃。(尘埃吸收并散射蓝光，使远处的物体看起来暗淡，使我们误以为它们比实际距离更远)。不幸的是，哈勃的红光视觉没有它的蓝光敏锐，所以我们在那里看到的造父星星光与它视野中的其他恒星混合在一起。我们可以从统计学上计算混合的平均量，就像医生通过秤上的读数减去衣服的平均重量来计算你的体重一样，但这样做会给测量增加干扰。有些人的衣服比别人的重。
“然而，敏锐的红外视觉是詹姆斯·韦伯太空望远镜的超能力之一。凭借其巨大的反射镜和灵敏的光学系统，它可以很容易地将造父变星的光从邻近的恒星中分离出来，几乎没有混合。在韦伯望远镜运作的第一年，我们的一般观测者计划1685，收集了哈勃望远镜发现的造父变星的观测数据，沿着宇宙距离阶梯分为两个阶段。第一步包括在一个已知几何距离的星系中观察造父变星，这使我们能够校准造父变星的真实亮度。在我们的计划中，这个星系是NGC 4258。第二步是观察最近Ia型超新星的宿主星系中的造父变星。前两个步骤的结合将距离信息传递给超新星，以校准它们的真实亮度。第三步是观察那些远离宇宙膨胀明显的超新星，可以通过比较它们的亮度和超新星宿主星系的红移推断出的距离来测量。这一系列步骤被称为距离阶梯。
“我们最近从第一步和第二步获得了我们的第一个韦伯测量结果，这使我们能够完成距离阶梯，并与之前的哈勃测量结果进行比较（见图）。由于天文台在近红外波长的分辨率，韦伯的测量结果大大减少了造父变星测量中的干扰。这种改进是天文学家梦寐以求的！我们在前两步观测到了超过320颗造父变星。我们证实了早期哈勃太空望远镜的测量是准确的，尽管干扰更大。我们还用韦伯观测了另外四个超新星宿主，我们在整个样本中看到了类似的结果。
造父变星周期-亮度关系用于测量距离的比较。红点来自NASA的韦伯望远镜，灰点来自NASA的哈勃望远镜。上图是Ia型超新星宿主NGC 5584，插图显示了每台望远镜看到的同一颗造父变星的图像。下图是已知几何距离的星系NGC 4258，插图显示了每台望远镜测量的NGC 5584和NGC 4258之间距离模数的差异。这两架望远镜一致性非常高。
影像来源：NASA, ESA, A. Riess (STScI), and G. Anand (STScI).
“这个结果仍然不能解释为什么宇宙看起来膨胀得如此之快！我们可以通过观察宇宙的婴儿照片，宇宙微波背景来预测宇宙的膨胀速度，然后利用我们关于它如何随着时间的推移而增长的最佳模型来告诉我们今天宇宙应该以多快的速度膨胀。事实上，目前对膨胀速率的测量大大超过了预测，这是一个被称为“哈勃张力”的长达十年的问题。“最令人兴奋的可能性是，这种张力是我们对宇宙的理解中缺失的一些东西的线索。
“这些结果仍然不能解释为什么宇宙看起来膨胀得如此之快！我们可以通过观察宇宙初期的图像，宇宙微波背景，来预测宇宙的膨胀速度，然后利用我们最好的模型来告诉我们宇宙是如何随着时间的推移而膨胀，然后告诉我们宇宙今天应该膨胀的速度。事实上，目前对膨胀率的测量大大超过了预测，这是一个长达十年的问题，被称为“哈勃常数危机”。最令人兴奋的可能性是，哈勃常数危机是我们对宇宙的理解中缺失的一些东西的线索。
“它可能表明外来暗能量、外来暗物质的存在，修正我们对引力的理解，或者独特粒子或场的存在。更通俗的解释是多个测量误差在同一个方向上相互作用（天文学家已经通过使用独立的步骤排除了单个误差），所以这就是为什么以更高的保真度重做测量如此重要。随着韦伯证实了来自哈勃的测量结果，韦伯的测量结果提供了迄今为止最强有力的证据，表明哈勃造父变星光度测量的系统误差并没有在目前的哈勃常数危机中发挥重要作用。因此，更有趣的可能性仍然摆在桌面上，紧张局势的神秘性加深了。”
编者按：这篇文章重点介绍了《天体物理杂志》接受的一篇论文中的数据。
作者:
亚当·里斯是约翰·霍普金斯大学彭博特约教授，约翰·霍普金斯大学克里格艺术与科学学院太空研究托马斯·J·巴伯教授，太空望远镜科学研究所杰出天文学家，2011年诺贝尔物理学奖获得者。