天文學家通過結合哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）和韋伯太空望遠鏡（JWST）的數據，對宇宙哈勃常數進行了新的測量，結果證實了以前曾測量過的哈勃常數值（Hubble constant）的準確性，從而對不同方法的測量結果之間存在的差異進行了進一步確認。這凸顯了現有宇宙理論可能亟需突破。

這項新研究於2月6日發表在《天文物理期刊通訊》（The Astrophysical JournalLetters）上。哈勃常數是衡量宇宙膨脹速度的指標，而通過不同觀測方法獲得的數值之間長期存在的差異被稱為「哈勃張力」（Hubble tension）。

基本概念

曾經有一段時間，科學家們相信宇宙是靜態的，但隨著愛因斯坦廣義相對論的出現，這種情況發生了變化。亞歷山大弗里德曼（Alexander Friedmann）於 1922年發表了一組方程式，表明宇宙實際上可能正在膨脹，喬治 勒梅特（Georges Lemaitre）後來進行了獨立推導，得出了相同的結論。埃德溫哈勃（Edwin Hubble）於1929年用觀測數據證實了這一膨脹。此前，愛因斯坦一直試圖通過添加一個宇宙學常數來修改廣義相對論，以便從他的理論中得到一個靜態的宇宙。據傳，哈勃新理論出現後，愛因斯坦曾說，他試圖引入宇宙常數而保持靜態宇宙的努力是一生最大的錯誤。

哈勃常數用來衡量宇宙膨脹速度，其單位是每秒鐘每百萬秒差距膨脹的公里數（km/s • Mpc，百萬秒差距megaparsec是一個測量宇宙中長度的單位，1秒差距約為3.26光年）。換句話說，每一百萬秒差距的宇宙區域，在一秒鐘的時間裏都會膨脹一定的公里數。從另一個角度來看，假設有一個相對靜止的物體位於一百萬秒差距遠，那麼每過一秒，它與我們的距離就會增加幾公里。

不同測量方法

那麼具體是多少公里？這就是問題所在。科學家們基本上會使用三種方法來測量哈勃常數：觀察附近的物體以了解其移動速度，黑洞或中子星碰撞產生的引力波，以及測量大爆炸餘暉中的微小偏差，這個所謂的「餘暉」也稱為宇宙微波背景（CMB）。然而，不同的方法得出了不同的值。例如，跟蹤觀測遙遠的超新星所得到的值為73 km/s • Mpc，而使用普朗克衛星（Planck satellite）測量CMB得到的值為 67km/s • Mpc。

就在去年，研究人員通過跟蹤利用引力透鏡效應看到的超新星，對宇宙膨脹進行了第三次獨立測量，其中由大質量物體引起的時空扭曲充當透鏡，放大了背景中的物體。這些模型的最佳擬合結果均略低於從CMB得到的哈勃常數值，差異在統計誤差範圍內。這是一個新方法，具有相當大的不確定性，但確實提供了一種獲取哈勃常數的獨立方法。

藝術科學網站（Ars Science）編輯約翰提摩爾（John Timmer）寫道：「我們利用宇宙微波背景中的訊息對其進行了測量，並得到了一個值。使用當今宇宙中物體的視距離來測量它，得到的值相差大約 10%。據知，這兩種測量都沒有問題，但沒有辦法達成統一。一種假設是，早期宇宙短暫地經歷了某種來自排斥引力（類似於暗能量概念）的『反衝』，然後神秘地消失。但這仍是一個猜測，儘管物理學家可能會對其感到興奮。」

利用造父變星

現在，最新的測量則在去年韋伯望遠鏡的數據基礎之上更進一步，確認了哈勃早期對膨脹率的測量是準確的，至少對於不很大的宇宙尺度來說是準確的。但它仍然可能存在錯誤，這些錯誤可能會增加人們對宇宙更深層次的觀察，特別是對更遙遠恆星的亮度測量。因此，新的研究團隊對造父變星（Cepheid variable stars）進行了額外的觀測，對象為5個宿主星系中共有1,000顆恆星，遠至 1.3億光年，並將其與哈勃數據關聯起來。韋伯望遠鏡能夠穿透星際塵埃進行觀測，這些塵埃使哈勃拍攝的這些恆星的圖像變得更加模糊和重疊，因此天文學家可以利用韋伯望遠鏡更容易地區分單個恆星。

結果進一步證實了哈勃數據的準確性。「我們已經跨越了哈勃觀測到的整個範圍，確認測量誤差來自哈勃張力，」合著者兼團隊負責人、約翰霍普金斯大學物理學家亞當里斯（Adam Riess）說，「韋伯和哈勃的結合達到了兩全其美的效果。我們發現，當沿著宇宙距離階梯爬得更遠時，哈勃測量依然可靠。測量誤差消除後，剩下的就是：我們可能誤解了宇宙的真實性，這讓人興奮。」看來，現有的宇宙理論亟需重新審視，或許下一個理論突破離我們不遠了。◇

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