這個(gè)謎題的證據(jù)多年來(lái)一直在積累，導(dǎo)致一些研究人員稱其為宇宙學(xué)中迫在眉睫的危機(jī)。

現(xiàn)在，一組研究人員使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡編制了一個(gè)巨大的新數(shù)據(jù)集，他們發(fā)現(xiàn)這種差異有百萬(wàn)分之一的可能性是統(tǒng)計(jì)上的僥幸。換句話說(shuō)，現(xiàn)在看來(lái)更有可能是宇宙中存在一些基本成分，或者已知成分產(chǎn)生一些意想不到的影響，但天文學(xué)家尚未查明這一點(diǎn)。

約翰·霍普金斯大學(xué)的天文學(xué)家亞當(dāng)·里斯說(shuō)：“宇宙似乎給我們帶來(lái)了很多驚喜，這是一件好事，因?yàn)樗梢詭椭覀儗W(xué)習(xí)?！?

據(jù)了解，這一天文學(xué)領(lǐng)域的難題被稱為哈勃張力，以天文學(xué)家埃德溫·哈勃的名字命名。 1929 年，他觀察到星系距離我們?cè)竭h(yuǎn)，后退的速度就越快，這一觀察結(jié)果為我們當(dāng)前的宇宙概念鋪平了道路，宇宙從大爆炸開始一直持續(xù)膨脹。

研究人員正試圖通過(guò)兩種主要方式來(lái)測(cè)量宇宙當(dāng)前的膨脹率：測(cè)量到附近恒星的距離，以及繪制可追溯到新生宇宙的微弱光芒。這些雙重方法提供了一種方法來(lái)測(cè)試我們對(duì)宇宙超過(guò)130 億年歷史的理解。該研究還發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵的宇宙成分，例如“暗能量”，這種神秘力量被認(rèn)為正在推動(dòng)宇宙加速膨脹。

但兩種方法對(duì)于目前宇宙的膨脹速度相差約8%。這種差異聽起來(lái)可能不大，但如果它是真實(shí)的，那就意味著宇宙現(xiàn)在的膨脹速度甚至比暗能量所能解釋的還要快——這意味著我們?nèi)祟悓?duì)宇宙的解釋已經(jīng)出現(xiàn)。一些問(wèn)題。

研究人員在上周提交給《The Astrophysical Journal》 的幾項(xiàng)研究中描述了他們的發(fā)現(xiàn)，他們使用特定類型的恒星和恒星爆炸來(lái)測(cè)量我們與附近星系之間的距離。該數(shù)據(jù)集包括對(duì)42 個(gè)不同恒星爆炸的觀測(cè)，是同類分析中第二大分析的兩倍多。根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的工作，他們對(duì)早期宇宙的新分析和測(cè)量之間的張力已達(dá)到5 西格瑪。

但其他天文學(xué)家仍然認(rèn)為數(shù)據(jù)中可能存在錯(cuò)誤，這意味著哈勃張力可能仍然是一個(gè)偽命題。

“我不知道此時(shí)如何隱藏如此大的錯(cuò)誤，”杜克大學(xué)天文學(xué)家、團(tuán)隊(duì)成員丹·斯科尼克說(shuō)。 “如果是這樣，那只是沒有人想出的東西。我們已經(jīng)檢查了向我們提出的所有內(nèi)容。所提出的想法，沒有什么可以做到這一點(diǎn)?！?

宇宙微波和距離階梯

哈勃張力來(lái)自于測(cè)量或預(yù)測(cè)宇宙當(dāng)前膨脹率的嘗試，該膨脹率稱為哈勃常數(shù)。通過(guò)使用它，天文學(xué)家可以估計(jì)自大爆炸以來(lái)宇宙的年齡。

獲得哈勃常數(shù)的一種方法是依靠宇宙微波背景(CMB)，這是宇宙誕生僅38 萬(wàn)歲時(shí)形成的微弱輝光。歐空局普朗克天文臺(tái)等望遠(yuǎn)鏡測(cè)量了宇宙微波背景，并提供了早期宇宙中物質(zhì)和能量如何分布以及控制它們的物理原理的詳細(xì)快照。

通過(guò)使用已經(jīng)成功預(yù)測(cè)宇宙許多特性的模型，即Lambda 冷暗物質(zhì)模型，宇宙學(xué)家可以在數(shù)學(xué)上快進(jìn)CMB 中看到的新生宇宙，并預(yù)測(cè)今天的哈勃常數(shù)應(yīng)該是多少。該方法預(yù)測(cè)宇宙應(yīng)該以67.36 公里/秒/兆秒差距的速度膨脹。

相比之下，其他團(tuán)隊(duì)通過(guò)觀察“本地”宇宙（距離我們相對(duì)較近的現(xiàn)代恒星和星系）來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)。這個(gè)版本的計(jì)算需要兩個(gè)數(shù)據(jù)：星系遠(yuǎn)離我們的速度有多快以及它離我們有多遠(yuǎn)。這反過(guò)來(lái)又要求天文學(xué)家開發(fā)出所謂的宇宙距離階梯。

由Riess 的研究小組SH0ES 組建的新研究的宇宙距離階梯首先測(cè)量我們與某些稱為造父變星的恒星之間的距離。造父變星很有價(jià)值，因?yàn)楸举|(zhì)上它們就像已知瓦數(shù)的頻閃燈。它們有規(guī)律地變亮和變暗，造父變星越亮，它們的脈動(dòng)就越慢。通過(guò)利用這一原理，天文學(xué)家可以根據(jù)更遙遠(yuǎn)的造父變星的脈動(dòng)速度來(lái)估計(jì)它們的固有亮度，并最終計(jì)算出這些恒星與我們之間的距離。

為了進(jìn)一步擴(kuò)展梯子，天文學(xué)家在被稱為1a 型超新星的恒星爆炸中添加了更多的梯級(jí)。通過(guò)研究同時(shí)擁有造父變星和1a 型超新星的星系，天文學(xué)家可以計(jì)算出超新星的亮度與其距離之間的關(guān)系。由于1a 型超新星比造父變星亮得多，因此可以從更遠(yuǎn)的地方看到它們，從而使天文學(xué)家能夠?qū)⑵錅y(cè)量范圍擴(kuò)展到宇宙更深處的星系。

變化核算

問(wèn)題是，準(zhǔn)確測(cè)量所有這些恒星和超新星非常復(fù)雜。從技術(shù)上講，并非所有造父變星和1a 型超新星看起來(lái)都完全相同：有些可能具有不同的成分、不同的顏色或不同類型的宿主星系。天文學(xué)家花了數(shù)年時(shí)間試圖找出如何解釋所有這些變化，但要確定某些隱藏的誤差源不會(huì)導(dǎo)致天平傾斜是非常困難的。

為了解決這些問(wèn)題，一個(gè)名為Pantheon+ 合作的研究小組詳盡分析了自1981 年以來(lái)收集的1,701 顆1a 型超新星的觀測(cè)數(shù)據(jù)。該分析包括對(duì)所有已知的不確定性和偏差來(lái)源進(jìn)行量化。

“我們關(guān)心的是1991 年11 月的天氣和望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)——這很困難，”杜克大學(xué)的Scolnic 說(shuō)。他與哈佛-史密森天體物理中心研究員Dillon Brout 共同領(lǐng)導(dǎo)Pantheon+。

該團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)為Riess 和他的SH0ES 同事的新分析提供了信息。在對(duì)可能影響造父變星觀測(cè)的因素進(jìn)行了同樣詳盡的交叉檢查后，研究小組得出了迄今為止對(duì)哈勃常數(shù)最精確的估計(jì)：每秒每兆焦耳73.04 公里（正負(fù)1.04）。這比普朗克天文臺(tái)根據(jù)CMB 測(cè)量推斷的值高出約8%。

另外，該團(tuán)隊(duì)不遺余力地測(cè)試外部科學(xué)家的想法，即他們對(duì)哈勃常數(shù)的估計(jì)高于普朗克常數(shù)。總而言之，研究人員對(duì)他們的分析進(jìn)行了67 種變體，其中許多變體使緊張局勢(shì)變得更加嚴(yán)重。

“我認(rèn)為我們已經(jīng)仔細(xì)聽取了很多擔(dān)憂和問(wèn)題。這不僅僅是一個(gè)‘快速改變’.我們已經(jīng)做了很多挖掘工作，”里斯說(shuō)。

未知宇宙

但近年來(lái)，芝加哥大學(xué)的溫迪·弗里德曼一直在研究一種不依賴脈動(dòng)恒星的估計(jì)方法。相反，她使用了一組特定的紅巨星?；谶@些替代的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”或具有已知固有亮度的物體，弗里德曼對(duì)哈勃常數(shù)的獨(dú)立估計(jì)為69.8 公里/秒/百萬(wàn)秒差距——位于其他兩個(gè)測(cè)量值的中間。

盡管團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了仔細(xì)的工作，弗里德曼指出，未被發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤仍然可能會(huì)影響分析，或許會(huì)產(chǎn)生一種錯(cuò)誤的緊張感。她補(bǔ)充說(shuō)，一些不確定性來(lái)源也是不可避免的。首先，只有三個(gè)星系距離銀河系足夠近，可以直接測(cè)量我們的距離，而宇宙距離階梯的基礎(chǔ)就是這三個(gè)星系。

“三個(gè)是一個(gè)很小的數(shù)字，但這是大自然給我們的，”弗里德曼說(shuō)。

Pantheon+ 和SH0ES 團(tuán)隊(duì)對(duì)弗里德曼和其他人的結(jié)果進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，他們的一些不同分析著眼于如果弗里德曼喜歡的恒星與造父變星和1a 型超新星一起添加到宇宙距離階梯中會(huì)發(fā)生什么。根據(jù)他們的工作，包括這些額外的恒星會(huì)稍微降低哈勃常數(shù)的估計(jì)——但這并不能消除緊張。

如果哈勃常數(shù)真正反映了我們的物理現(xiàn)實(shí)，那么解釋它可能需要在我們的宇宙基本成分列表中添加另一個(gè)項(xiàng)目。

主要的理論競(jìng)爭(zhēng)者之一——被稱為早期暗能量——提出了大爆炸后約5 萬(wàn)年暗能量的短暫爆發(fā)。原則上，額外暗能量的短暫爆發(fā)可以改變?cè)缙谟钪娴呐蛎?，足以解決哈勃張力，而不會(huì)對(duì)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型造成太大破壞。

但在此過(guò)程中，宇宙學(xué)家對(duì)宇宙年齡的估計(jì)將從目前的138億年下降到約130億年。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的天體物理學(xué)家邁克·博伊蘭-科爾欽(Mike Boylan-Kolchin) 表示：“關(guān)于為什么必須引入這種來(lái)來(lái)去去的新事物，存在很多疑問(wèn)，這感覺有點(diǎn)有趣。” “但我們現(xiàn)在所處的位置——如果這些事情真的那么不一致，也許我們必須開始尋找宇宙中有趣的角落?！?

盡管已經(jīng)出現(xiàn)了一些跡象，但目前還沒有早期暗能量的大滿貫證據(jù)。 9月，智利測(cè)量宇宙微波背景的阿塔卡馬宇宙望遠(yuǎn)鏡表示，包含早期暗能量的模型比標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型更適合其數(shù)據(jù)。但普朗克望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)表明事實(shí)并非如此，因此需要未來(lái)的觀測(cè)才能揭開這個(gè)謎團(tuán)的真相。

其他天文臺(tái)也應(yīng)該有助于澄清哈勃的緊張局勢(shì)。例如，歐空局的蓋亞衛(wèi)星自2014年以來(lái)一直在繪制銀河系地圖，這使得我們與銀河系中許多恒星（包括造父變星）之間的距離的估計(jì)變得越來(lái)越精確。即將推出的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將幫助天文學(xué)家仔細(xì)檢查哈勃對(duì)某些恒星的測(cè)量。

“我們正在盡可能地探索，”弗里德曼說(shuō)。 “我們要查清此事的真相。”