宇宙膨胀哈勃常数到底是多少？

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四个黄点中的每一个都是超新星Refsdal的单独图像，它位于图片中心的星系团的明亮斑点后面。资料来源：美国宇航局/欧空局/P凯利

我们是怎么到这里来的？我们要去哪？需要多长时间？这些问题与人类本身一样古老，如果宇宙其他地方的其他物种已经提出过这些问题，那么它们可能比这更古老。

它们也是我们在宇宙研究中试图回答的一些基本问题，称为宇宙学。一个宇宙学难题是宇宙膨胀的速度，这是由一个称为哈勃常数的数字来衡量的。而且周围有相当多的紧张关系。

在明尼苏达大学的同事帕特里克·凯利（Patrick Kelly）领导的两篇新论文中，我们成功地使用了一种新技术——涉及一颗爆炸恒星的光，该恒星通过多条蜿蜒的路线穿过膨胀的宇宙到达地球——来测量哈勃常数。这些论文发表在《科学》和《天体物理学杂志》上。

如果我们的结果不能完全解决紧张局势，它们确实给了我们另一个线索 - 以及更多的问题。

标准烛光和膨胀的宇宙

自1920年代以来，我们就知道宇宙正在膨胀。

大约在1908年，美国天文学家亨丽埃塔·莱维特（Henrietta Leavitt）发现了一种方法来测量一种称为造父变星的恒星的固有亮度——不是它们从地球上看起来有多亮，这取决于距离和其他因素，而是它们到底有多亮。造父变星在一个有规律的周期中变得越来越亮，越来越暗，莱维特表明，内在亮度与这个周期的长度有关。

现在被称为莱维特定律，让科学家使用造父变星作为“标准蜡烛”：其固有亮度已知的物体，因此可以计算其距离。

这是如何工作的？想象一下，现在是晚上，你站在一条长长的黑暗街道上，路上只有几根灯杆。现在想象一下，每个灯杆都有相同类型的灯泡，具有相同的功率。您会注意到远处的似乎比附近的更暗。

我们知道光的褪色与其距离成正比，这被称为光的平方反比定律。现在，如果你能测量每盏灯对你来说有多亮，如果你已经知道它应该有多亮，你就可以计算出每个灯杆有多远。

1929年，另一位美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）能够在其他星系中找到许多造父变星并测量它们的距离，从这些距离和其他测量中，他可以确定宇宙正在膨胀。

不同的方法给出不同的结果

这种标准的蜡烛方法很强大，使我们能够测量广阔的宇宙。我们一直在寻找可以更好地测量并在更远的距离看到的不同蜡烛。

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单个超新星的多个视图 - 分布在时间和空间上 - 使科学家能够测量宇宙膨胀的速度。资料来源：P.L. 凯利等人，科学 10.1126/science.abh1322 （2023），作者提供

最近一些测量离地球更远的宇宙的努力，比如我参与的SH0ES项目，由诺贝尔奖获得者亚当·里斯（Adam Riess）领导，已经将造父变星与一种称为Ia型超新星的爆炸恒星一起使用，也可以用作标准蜡烛。

还有其他方法可以测量哈勃常数，例如使用宇宙微波背景的方法 - 大爆炸后不久开始在宇宙中传播的遗物光或辐射。

问题在于，这两个测量值，一个使用超新星和造父变星，另一个使用微波背景更远，相差近10%。天文学家称这种差异为哈勃张力，并一直在寻找新的测量技术来解决它。

新方法：引力透镜

在我们的新工作中，我们成功地使用了一种新技术来测量宇宙的膨胀率。这项工作基于一颗名为超新星Refsdal的超新星。

2014年，我们的团队发现了同一颗超新星的多张图像，这是第一次观测到这种“透镜”超新星。我们看到的不是哈勃太空望远镜看到一颗超新星，而是五颗！

这是怎么发生的？来自超新星的光向四面八方发出，但它穿过被巨大星系团的巨大引力场扭曲的空间，这些引力场弯曲了一些光的路径，最终通过多条路线来到地球。超新星的每一次出现都沿着不同的宇宙路径到达了我们。

想象一下，三列火车同时离开同一个车站。然而，一个直接去下一站，另一个穿过山脉，另一个通过海岸。他们都离开并到达相同的车站，但采取不同的行程，因此当他们同时离开时，他们将在不同的时间到达。

因此，我们的镜头图像显示了相同的超新星，在某个时间点爆炸，但每张图像都走过不同的路径。通过观察超新星每次出现到达地球的时间——其中一次发生在2015年，在爆炸的恒星被发现之后——我们能够测量它们的旅行时间，从而测量宇宙在图像传输过程中增长了多少。

我们到了吗？

这给了我们一个不同但独特的宇宙增长测量方法。在论文中，我们发现这种测量更接近宇宙微波背景测量，而不是附近的造父变星和超新星测量。然而，根据它的位置，它应该更接近造父变星和超新星的测量。

虽然这根本不能解决争论，但它给了我们另一个线索。超新星值可能存在问题，或者我们对星系团的理解以及应用于透镜的模型，或者完全是其他问题。

就像公路旅行中坐在车后座的孩子们问“我们到了吗”，我们仍然不知道。

本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。

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原标题：《『宇宙膨胀哈勃常数到底是多少？通过引力透镜效应测量的值带来了新的谜团》

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