摘要：自20世纪初以来，我们就知道宇宙正在膨胀。然而，宇宙膨胀的速度究竟有多快，这仍是一个棘手的问题。到目前为止，我们对宇宙的理论理解预测的膨胀速度比我们根据实际观测计算出的速度慢约 8%。这种差异被称为哈勃张力，其背后的原因是物理学中尚未解答的重大问题之一。

星系团碰撞的合成图像，称为 Abell 274

自20世纪初以来，我们就知道宇宙正在膨胀。然而，宇宙膨胀的速度究竟有多快，这仍是一个棘手的问题。到目前为止，我们对宇宙的理论理解预测的膨胀速度比我们根据实际观测计算出的速度慢约 8%。这种差异被称为哈勃张力，其背后的原因是物理学中尚未解答的重大问题之一。

最明显的潜在解释是我们的测量不准确。然而，12 月 9 日发表在《天体物理学杂志》上的一篇新论文进一步验证了我们现有的观测结果，该论文将哈勃太空望远镜的数据与詹姆斯·韦伯太空望远镜的新观测结果进行了交叉检查，发现两者几乎完全一致。

哈勃常数是什么？我们如何测量它？

宇宙膨胀的速度用哈勃常数来表示，通常缩写为“H 0 ”。我们宇宙的一个特点是其膨胀速度随距离而变化——物体离我们

越远，远离我们的速度就越快。为了反映这一事实，该常数以公里/秒/百万秒差距 (km/s/Mpc) 为单位表示，百万秒差距是相当于约 300,000 光年的距离单位。

我们最好的宇宙理论模型Lambda/冷暗物质模型 (“ΛCDM”) 预测 H 0值为 67-68 km/s/Mpc。然而，我们的观测结果显示 H 0约为 73 km/s/Mpc。那么到底发生了什么呢？

要理解这一点，我们首先需要了解如何测量H 0。科学家通过研究遥远的物体（恒星、星系、超新星）来做到这一点，并计算出 a) 它们距离我们有多远以及 b) 它们远离我们的速度有多快。

攀登宇宙距离阶梯

第一步是能够计算出遥远物体离我们有多远——而计算出宇宙距离绝非易事。正如该论文的合著者之一李思阳遗憾地说：“我们的很多工作都涉及测量星系的距离——这是天文学中非常困难的事情之一。”

李思阳解释说，为了进行这些计算，天文学家使用了所谓的“宇宙距离阶梯”。这个阶梯从距离地球约 1,000 秒差距内的物体开始，我们可以用简单的三角学计算出它们的距离。对于更远的物体，李思阳说：“我们确实需要两条信息。一个是视星等：这颗恒星在地球上看起来有多亮？另一个是这颗恒星的固有光度：它本身有多亮？”

这两个值之间的差异是距离的函数：物体距离越远，看起来就越暗。（想象一下从灯中发出的光线不断扩大的球体；如果你靠近灯，许多光线都会到达你，但随着你离灯越来越远，越来越多的光线会错过你。）这两个值与物体的距离之间存在相对简单的关系，因此如果我们有其中两条信息，我们就可以计算出第三条。

这很有用，因为有些类别的物体（称为“标准烛光”）都具有相同的固有光度。（例子包括 1a 型超新星，以及一类称为造父变星的恒星。）一旦我们确定了一类标准烛光的固有光度（这一过程称为校准），我们就可以使用该信息来计算距离太远而无法直接计算的类似物体的距离。然后可以对另一类标准烛光重复该过程。

一旦我们知道了物体的距离，我们需要的第二条信息就是它远离我们的速度。随着宇宙的膨胀，来自这些物体的光到达我们所需的时间越来越长，而且它的波长会随着它所穿越的时空的膨胀而变长。这种现象被称为“红移”，如果我们能计算出来自某个物体的光的红移程度，我们就能计算出该物体远离我们的速度。

计算哈勃常数

一旦我们掌握了这两条信息，哈勃常数的实际确定就相当简单了：速度和距离的关系为v = H 0 d，其中 v 是速度，d 是距离，H 0是哈勃常数。

如果我们对大量遥远物体进行这种测量，我们就可以确定哈勃常数的更精确值。当然，要做到这一点，测量结果的准确性至关重要。我们关于遥远物体的大部分信息都来自哈勃太空望远镜，它花了几十年时间积累数据，而詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射为我们提供了一个交叉核对数据的好机会。

这也为研究开辟了新的可能性，正如论文的主要作者、因哈勃张力研究而获得2011 年诺贝尔物理学奖的亚当·里斯 (Adam Riess) 所解释的那样：“詹姆斯·韦伯望远镜在近红外波段具有更好的分辨率和灵敏度。哈勃望远镜在蓝色波长上表现更好。哈勃望远镜最大的优势在于它在那里待的时间更长，因此拥有更多的数据，但一旦詹姆斯·韦伯望远镜收集到足够的数据，它可能会超越哈勃望远镜——或者它们可能会被联合用于研究哈勃张力。”

目前，詹姆斯·韦伯太空望远镜的结果与现有数据几乎完全吻合，这提供了更有力的证据，表明问题不在于测量的准确性。在这种情况下，里斯说，问题可能出在理论上。“无法发现测量中的缺陷，”他说，“导致模型出现缺陷的可能性越来越大。”

什么是 ΛCDM 模型，为什么它预测的哈勃常数不同？

顾名思义，ΛCDM 模型基于两个基本概念：宇宙常数（用希腊字母“Λ”表示）和冷暗物质的存在。宇宙常数表示空间本身的固有能量——神秘的“暗能量”，目前的估计表明它占宇宙能量的 68%左右。而“冷暗物质”则代表了我们对同样难以捉摸的暗物质的最佳理解，暗物质占宇宙能量的另外 27%。（构成恒星、行星和人类的普通物质仅占 5%。）

暗能量和暗物质的概念并不是随意的——暗物质的存在可以从其对星系旋转的影响中推断出来，而暗能量对于宇宙的持续膨胀是必不可少的。ΛCDM 模型中的版本反映了这些事实，也与我们对宇宙微波背景（大爆炸留下的辐射）的观测相关。

“基本上，”里斯说，“ΛCDM 预测了后大爆炸宇宙中物质/温度波动的物理大小。CMB 用于测量这些波动的角度大小，通过比较两者可以校准哈勃常数。”

然而，哈勃张力的持续存在显然表明有些事情不对劲。里斯和李思阳是否怀疑问题的根源可能在哪里？“暗区里有一些东西，”里斯说。“要么是奇怪的暗能量，要么是奇怪的暗物质。”

李思阳对此表示同意，并补充说，他怀疑我们对前者的不完美理解可能是哈勃争论的根源：“就暗物质本身而言，我们知道它存在，而且我们可以建立模型来预测星系的行为——旋转之类的。但对于暗能量，存在着太多的可能性，以至于实际上没有一个完全合适的替代方案……我们对暗能量的了解还有很多，还有很多我们仍在探索和学习。”

来源：板鹭讲科学