（神秘的韋伯地球uux.cn）據(jù)美國(guó)宇航局：宇宙膨脹的速率，即哈勃常數(shù)，證實(shí)宙膨脹率張力之謎是哈勃哈勃理解宇宙演化和最終命運(yùn)的基本參數(shù)之一。然而，測(cè)量常數(shù)在用各種獨(dú)立的宇的準(zhǔn)距離指示器測(cè)量的常數(shù)值和從大爆炸余輝預(yù)測(cè)的常數(shù)值之間，可以看到一個(gè)持續(xù)的確性差異，稱為“哈勃張力”。加深

美國(guó)宇航局的證實(shí)宙膨脹率張力之謎NIRCam(近紅外相機(jī))和哈勃的WFC3(寬視場(chǎng)相機(jī)3)的綜合觀測(cè)顯示了螺旋星系NGC 5584，它距離地球7200萬(wàn)光年。哈勃哈勃NGC 5584的測(cè)量常數(shù)發(fā)光恒星中有被稱為造父變星的脈動(dòng)恒星和Ia型超新星，這是宇的準(zhǔn)一類特殊的爆炸恒星。天文學(xué)家使用造父變星和Ia型超新星作為可靠的確性距離標(biāo)記來(lái)測(cè)量宇宙的膨脹率。鳴謝:uux.cn/美國(guó)航天局、加深歐空局、韋伯加空局和A. Riess (STScI)。
美國(guó)宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡提供了新的能力來(lái)仔細(xì)檢查和提煉這種緊張關(guān)系的一些最強(qiáng)有力的觀測(cè)證據(jù)。來(lái)自約翰·霍普金斯大學(xué)和太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者亞當(dāng)·里斯介紹了他和他的同事們最近利用韋伯觀測(cè)提高哈勃常數(shù)局部測(cè)量精度的工作。
“你有沒(méi)有努力去看清你視野邊緣的一個(gè)標(biāo)志？上面寫(xiě)了什么？這是什么意思？即使使用最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家想要讀取的“跡象”也顯得如此之小，以至于我們也難以分辨。
“宇宙學(xué)家想要讀取的符號(hào)是一個(gè)宇宙速度極限符號(hào)，它告訴我們宇宙膨脹的速度——一個(gè)叫做哈勃常數(shù)的數(shù)字。我們的星座被寫(xiě)在遙遠(yuǎn)星系的星星上。這些星系中某些恒星的亮度告訴我們它們有多遠(yuǎn)，因此這種光傳播了多長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)我們這里，星系的紅移告訴我們宇宙在這段時(shí)間內(nèi)膨脹了多少，從而告訴我們膨脹率。

圖名為“近紅外中不擁擠的造父變星”左圖:一個(gè)螺旋星系的彩色圖像被標(biāo)記為“NGC 5584(韋伯NIRCam +哈勃WFC3)”旋臂的一部分用一個(gè)方框勾勒出來(lái)。盒子里面是一個(gè)紅色的實(shí)心圓圈。中間:一組兩個(gè)圖表，顯示了方框區(qū)域的放大視圖。上圖顯示哈勃指向一個(gè)大的透明盒子。底部的長(zhǎng)邊標(biāo)記為“深度”盒子里有許多重疊的大小不同的藍(lán)綠色球體，中間有一個(gè)紅色球體。下圖顯示韋伯指向一個(gè)幾乎相同的盒子。這個(gè)盒子里的球體要小得多，重疊部分也少。紅色的球標(biāo)著“造父變星”右圖:兩幅正方形灰度圖像。頂部標(biāo)有“HST WFC3-IR”底部標(biāo)有“JWST·尼卡姆”頂部圖像中的像素明顯大于底部圖像中的像素。下圖中的黑點(diǎn)更小、更明顯、數(shù)量更多。這張圖表顯示了美國(guó)宇航局的哈勃和韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在確定一類特殊變星的精確距離方面的聯(lián)合力量，這類變星用于校準(zhǔn)宇宙的膨脹率。這些造父變星可見(jiàn)于擁擠的星域。來(lái)自周圍恒星的光污染可能會(huì)降低對(duì)造父變星亮度的測(cè)量精度。韋伯更敏銳的紅外視覺(jué)使得造父變星目標(biāo)更清晰地從周圍的恒星中分離出來(lái)，如圖右側(cè)所示。韋伯的數(shù)據(jù)證實(shí)了30年來(lái)哈勃對(duì)造父變星的觀測(cè)的準(zhǔn)確性，這些觀測(cè)對(duì)于建立測(cè)量宇宙膨脹率的宇宙距離階梯的底部至關(guān)重要。在左邊，NGC 5584是由韋伯的NIRCam(近紅外照相機(jī))和哈勃的寬視場(chǎng)照相機(jī)3合成的。圖片鳴謝:uux.cn/NASA，ESA，A. Riess (STScI)，W. Yuan (STScI)。
“一類特殊的恒星，造父變星，給了我們一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)最精確的距離測(cè)量，因?yàn)檫@些恒星異常明亮:它們是超巨星，亮度是太陽(yáng)的十萬(wàn)倍。更重要的是，它們?cè)跀?shù)周的時(shí)間內(nèi)脈動(dòng)(即大小膨脹和收縮)，這表明了它們的相對(duì)亮度。周期越長(zhǎng)，它們本身就越亮。它們是測(cè)量一億光年或更遠(yuǎn)的星系距離的黃金標(biāo)準(zhǔn)工具，這是確定哈勃常數(shù)的關(guān)鍵一步。不幸的是，從我們遙遠(yuǎn)的有利位置來(lái)看，星系中的恒星擁擠在一個(gè)小空間內(nèi)，因此我們經(jīng)常缺乏分辨率來(lái)將它們從它們的視線鄰居中分離出來(lái)。
“建造哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)主要理由就是為了解決這個(gè)問(wèn)題。在哈勃1990年發(fā)射和隨后的造父變星測(cè)量之前，宇宙的膨脹速度是如此不確定，天文學(xué)家不確定宇宙是否已經(jīng)膨脹了100億或200億年。那是因?yàn)楦斓呐蛎浰俣葧?huì)導(dǎo)致宇宙年齡更年輕，而更慢的膨脹速度會(huì)導(dǎo)致宇宙年齡更老。哈勃比任何地面望遠(yuǎn)鏡都有更好的可見(jiàn)光波長(zhǎng)分辨率，因?yàn)樗挥诘厍虼髿饽：?yīng)之上。因此，它可以識(shí)別出一億多光年以外的星系中的單個(gè)造父變星，并測(cè)量它們改變亮度的時(shí)間間隔。
“然而，我們還必須在光譜的近紅外部分觀察造父變星，才能看到光線毫發(fā)無(wú)損地穿過(guò)中間的塵埃。(灰塵吸收并散射藍(lán)色的光學(xué)光線，使遠(yuǎn)處的物體看起來(lái)很微弱，并欺騙我們相信它們比實(shí)際情況更遠(yuǎn))。不幸的是，哈勃的紅光視覺(jué)沒(méi)有它的藍(lán)光敏銳，所以我們?cè)谀抢锟吹降脑旄感切枪馀c它視野中的其他恒星混合在一起。我們可以從統(tǒng)計(jì)學(xué)上計(jì)算混合的平均量，就像醫(yī)生通過(guò)從體重秤讀數(shù)中減去衣服的平均重量來(lái)計(jì)算出你的體重一樣，但這樣做會(huì)給測(cè)量增加噪聲。有些人的衣服比其他人的重。
“然而，敏銳的紅外視覺(jué)是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的超能力之一。憑借其巨大的反射鏡和靈敏的光學(xué)系統(tǒng)，它可以很容易地將造父變星的光從鄰近的恒星中分離出來(lái)，幾乎沒(méi)有混合。在韋伯與我們的一般觀測(cè)者計(jì)畫(huà)1685合作的第一年，我們收集了哈勃在宇宙距離階梯的兩個(gè)階段發(fā)現(xiàn)的造父變星的觀測(cè)資料。第一步包括在一個(gè)已知幾何距離的星系中觀察造父變星，這使我們能夠校準(zhǔn)造父變星的真實(shí)光度。在我們的節(jié)目中，這個(gè)星系是NGC 4258。第二步是觀察最近Ia型超新星的宿主星系中的造父變星。前兩個(gè)步驟的結(jié)合將傳遞到超新星的距離信息，以校準(zhǔn)它們的真實(shí)亮度。第三步是觀察那些遙遠(yuǎn)的超新星，那里的宇宙膨脹很明顯，可以通過(guò)比較從它們的亮度和超新星宿主星系的紅移推斷的距離來(lái)測(cè)量。這一系列步驟被稱為距離階梯。
“我們最近從第一步和第二步中獲得了我們的第一次韋伯測(cè)量，這使我們能夠完成距離階梯，并與哈勃之前的測(cè)量進(jìn)行比較(見(jiàn)圖)。由于天文臺(tái)在近紅外波長(zhǎng)的分辨率，韋伯的測(cè)量大大減少了造父變星測(cè)量中的噪聲。這種改進(jìn)是天文學(xué)家夢(mèng)寐以求的！我們?cè)谇皟杉?jí)觀測(cè)到超過(guò)320個(gè)造父變星。我們證實(shí)了早期哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量是準(zhǔn)確的，盡管噪音更大。我們還用韋伯觀測(cè)了另外四個(gè)超新星宿主，我們看到了整個(gè)樣本的類似結(jié)果。

用于測(cè)量距離的造父周期-光度關(guān)系的比較。紅點(diǎn)來(lái)自美國(guó)宇航局的韋伯，灰點(diǎn)來(lái)自美國(guó)宇航局的哈勃。頂部面板是NGC 5584，Ia型超新星宿主，插圖顯示了每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡看到的同一造父變星的圖像。下圖是NGC 4258，這是一個(gè)已知幾何距離的星系，插圖顯示了每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡測(cè)量的NGC 5584和NGC 4258之間距離模數(shù)的差異。這兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡非常一致。圖片鳴謝:uux.cn/NASA、ESA、A. Riess (STScI)、G. Anand (STScI)。
“這個(gè)結(jié)果仍然不能解釋為什么宇宙看起來(lái)膨脹得如此之快！我們可以通過(guò)觀察宇宙的嬰兒照片，宇宙微波背景來(lái)預(yù)測(cè)宇宙的膨脹速度，然后利用我們關(guān)于它如何隨著時(shí)間的推移而增長(zhǎng)的最佳模型來(lái)告訴我們今天宇宙應(yīng)該以多快的速度膨脹。事實(shí)上，目前對(duì)膨脹速率的測(cè)量大大超過(guò)了預(yù)測(cè)，這是一個(gè)被稱為“哈勃張力”的長(zhǎng)達(dá)十年的問(wèn)題。“最令人興奮的可能性是，這種張力是我們對(duì)宇宙的理解中缺失的一些東西的線索。
“它可能表明外來(lái)暗能量、外來(lái)暗物質(zhì)的存在，修正我們對(duì)引力的理解，或者獨(dú)特粒子或場(chǎng)的存在。更通俗的解釋是多個(gè)測(cè)量誤差在同一個(gè)方向上合謀(天文學(xué)家已經(jīng)通過(guò)使用獨(dú)立的步驟排除了單個(gè)誤差)，所以這就是為什么以更高的保真度重做測(cè)量如此重要。隨著韋伯證實(shí)了來(lái)自哈勃的測(cè)量結(jié)果，韋伯的測(cè)量結(jié)果提供了迄今為止最強(qiáng)有力的證據(jù)，表明哈勃造父變星測(cè)光的系統(tǒng)誤差在目前的哈勃張力中沒(méi)有發(fā)揮重要作用。因此，更有趣的可能性仍然擺在桌面上，緊張局勢(shì)的神秘性加深了。”
編者按:這篇文章強(qiáng)調(diào)了一篇被《天體物理學(xué)雜志》接受的論文中的數(shù)據(jù)。
作者:
Adam Riess是約翰·霍普金斯大學(xué)的彭博杰出教授，JHU·克里格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的Thomas J. Barber空間研究教授，空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的杰出天文學(xué)家，2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。