利用世界上最强大的两架太空望远镜——美国宇航局的哈勃望远镜和欧洲航天局的盖亚望远镜——天文学家们对宇宙膨胀速率进行了一次迄今为止最精确的测量。

Credits:NASA, ESA, and A. fe(STScI)

20世纪20年代，埃德温·哈勃(Edwin Hubble)有了突破性的发现：宇宙处于膨胀状态。

最初的猜测是爱因斯坦广义相对论的结果，这一膨胀速率的测量结果被称为哈勃常数。

今天，在新一代望远镜的帮助下——如哈勃太空望远镜(HST)——天文学家已经多次重新测量和修正这一常数。

这些测量结果证实了膨胀速率会随着时间的推移而增加，尽管科学家们还不确定这其中的原因。最新的测量是由一个使用哈勃望远镜的国际团队实施的，他们将测量结果与欧洲航天局(ESA)的盖亚天文台获得的数据进行了比较。这带来了迄今为止对哈勃常数最精确的测量，尽管关于宇宙加速的许多问题仍然存在。

关于这一发现的有关文章发表在7月12日的《Astrophysical Journal》上。该研究的团队成员包括太空望远镜科学研究所(STScI)、约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)、国家天体物理学研究所(INAF)、加州大学伯克利分校(UC Berkeley)、德州农工大学(Texas A&M University)和欧洲南方天文台(ESO)。

这幅图展示了天文学家测量宇宙膨胀速率(哈勃常数)的三个步骤，达到了前所未有的精度。

Credits: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

自2005年以来，诺贝尔奖得主、美国太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute)和约翰•霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的教授亚当•里斯(Adam Riess)一直致力于通过精简和加强“宇宙距离阶梯”(universe distance ladder)，来提高哈勃常数的测量精度。

他的团队成功地将宇宙膨胀速率的不确定性降低到了2.2%。

为了将问题分解，天文学家一般使用“宇宙距离阶梯”来测量宇宙间的距离。这是由遥远星系中的造父变星之类的距离标记组成的。

造父变星是一种亮度会呈周期性变化的恒星，它的距离可以通过比较其固有亮度和表面亮度推断出来。然后将这些测量值与来自遥远星系的光线红移方式进行比较，以确定星系之间的空间膨胀速度。

由此，哈勃常数得以推断出来。另一种方法是观察宇宙微波背景(CMB)，以追踪宇宙早期的膨胀——大约在大爆炸后37万8千年，然后用物理学推断出现在的膨胀速率。总的来说，这些测量应该提供宇宙如何随时间变化连续膨胀的信息。

然而，天文学家已经知道这两种测量方法不协调已经有一段时间了。

在之前的一项研究中，Riess和他的团队利用哈勃望远镜进行了测量，得到的哈勃常数值为每秒73千米/秒。与此同时，基于欧空局普朗克天文台(2009年至2013年观测宇宙微波背景)的结果预测，哈勃常数现在应该是67公里/秒，而不超过69公里/秒，这显示出9%的差异。

一幅彩色微波波段全天图像。

Credit: ESA, HFI and LFI consortia

正如Riess在NASA最近的新闻稿中所指出的:

“这种紧张关系似乎已经发展成我们对早期宇宙和晚期宇宙的看法完全不相容。这时，很明显，这不是任何一个测量中简单的大错误造成的。这就好像你从生长图表中预测了一个孩子的身高，然后发现他或她长大成人的身高大大超过了预测。我们非常困惑。”

在这种情况下，Riess和他的同事利用哈勃望远镜来测量遥远的造父变星的亮度，而盖亚则提供视差信息——根据不同视角在物体位置上的明显变化——来确定距离。盖亚还通过测量银河系中50个造父变星的距离，结合哈勃的亮度测量为这项研究增加一项信息。

这使得天文学家能够更精确地校准造父变星，然后利用这些标准，去测量银河系之外更遥远的目标。

利用哈勃的测量数据和新发布的盖亚数据，Riess团队能够精确地将当前的膨胀速度更新达到每秒73.5公里。

欧空局的盖亚目前正在执行一项为期五年的任务，绘制银河系的恒星地图。

Image credit: ESA/ATG medialab; background: ESO/S. Brunier.

正如太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute)和SHOES团队成员——Stefano Casertano所言:

“哈勃作为一个通用的天文台确实令人惊叹，但盖亚是新的距离校准黄金标准。”它专为测量视差而设计。盖亚带来了重新校准所有过去测量的距离的新能力，它似乎证实了我们以前的工作。如果我们用盖亚视差代替之前所有的距离阶梯标定，我们就得到了哈勃常数的相同答案。这是两个非常强大和精确的天文台之间的交叉验证。”

展望未来，Riess和他的团队希望继续与盖亚合作，这样他们就能在本世纪20年代早期将与哈勃常数有关的不确定性降低到1%。与此同时，现代宇宙膨胀速率与基于CMB的膨胀速率之间的差异对天文学家来说仍将是一大难题。

最后，这可能是表明我们的宇宙中存在着其他的物理现象的一个迹象，暗物质与正常物质以一种不同于科学家猜想的方式相互作用，或者暗能量可能比之前认为的更奇特。不管原因是什么，很明显，宇宙中还有一些让我们惊喜的东西！

By Matt Williams

翻译：匡仁昆

校对：南珂婷

编排：刘文慧