韦伯和哈勃望远镜证实了宇宙的膨胀率但谜团仍然存在

宇宙膨胀的速度，称为哈勃常数，是理解宇宙演化和最终命运的基本参数之一。然而，在用各种独立距离指标测量的常数值和根据大爆炸余辉预测的值之间存在一个持久的差异，称为哈勃张力。NASA/ESA/CSA詹姆斯·韦伯太空望远镜证实，哈勃太空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疑虑。

建造NASA/ESA哈勃太空望远镜的科学理由之一是利用其观测能力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空局普朗克卫星绘制的宇宙微波背景辐射图得出的——这是宇宙在大爆炸冷却后如何演化结构的蓝图。

解决这一困境的简单方法是，哈勃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眼睛一直都是正确的，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，与早期宇宙的膨胀相比，附近宇宙中发生的情况之间所谓的哈勃张力仍然是宇宙学家们挥之不去的难题。太空的结构中可能存在一些我们尚不了解的东西。

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?

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。

巴尔的摩约翰·霍普金斯大学的物理学家亚当·里斯说：“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。”里斯因共同发现宇宙正在加速膨胀这一事实而获得诺贝尔奖，这种膨胀是由于一种现在称为暗能量的神秘现象而加速的。

作为交叉核对，韦伯在2023年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。

由Riess领导的SH0ES(暗能量状态方程的超新星H0)团队与Webb一起获得了对关键宇宙里程碑标记物体的额外观测，这些物体被称为造父变星，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。

天文学家根据所观察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，如果造父变星的测量随着距离的变化而变得不那么准确，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，这种效应可能会随着距离的增加而变得更加明显。

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，哈勃的测量仍然可靠，”里斯说。

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1000个造父变星，并延伸到已充分测量造父变星的最远星系——NGC5468，距离1.3亿光年。

巴尔的摩太空望远镜科学研究所的合著者加甘迪普·阿南德(GagandeepAnand)表示：“这涵盖了我们用哈勃进行测量的整个范围。因此，我们已经到达了宇宙距离阶梯第二级的末端。”美国宇航局的韦伯和哈勃望远镜。

哈勃和韦伯对哈勃张力的确认共同建立了其他天文台来可能解开这个谜团，包括美国宇航局即将推出的南希·格雷斯·罗马太空望远镜和欧空局最近启动的欧几里德任务。

目前，哈勃和韦伯观测到的距离梯就好像在河流的一侧岸线上牢牢地设置了一个锚点，而普朗克从宇宙之初观测到的大爆炸的余辉则牢牢地设置在另一侧。数十亿年来，宇宙的膨胀在这两个端点之间是如何变化的，目前尚未被直接观察到。

里斯说：“我们需要找出我们是否遗漏了一些关于如何将宇宙的起源和当今联系起来的东西。”

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