韋伯望遠鏡觀測證實哈勃望遠鏡關於宇宙膨脹速率的測量結果
文：莫心海
【編者注】宇宙的浩渺對人類永遠是個迷，無從知道其實質。現代天文學所認識到的只是用現代高科技捕捉到的天體在人類空間能觀察到的變化瞬間，科學家抓住這一刻的觀測數據，提出理論，假說，象盲人摸象，難以窺探到整體和其本質所在。如果只在人類這個空間去探索宇宙的奧秘，終歸是竹籃打水一場空。希望讀者從現代天文的發現中，能思考宇宙、人體、生命的真正意義何在。
螺旋星系 NGC 5584 。NGC 5584 的發光恆星中有稱為造父變星的脈動恆星和 Ia 型超新星。天文學家使用造父變星和 Ia 型超新星作為可靠的距離標記來測量宇宙的膨脹率。 圖片來源：NASA、ESA、CSA 和 A. Riess (STScI)。
宇宙加速膨脹是目前主流天文學家的共識，可是天文學家在幾十年來用不同的方法測量的宇宙膨脹的速率，即哈勃常數，卻得到互相矛盾的數據，這給天文學家對宇宙的理解留下了一個相當大的鴻溝。
2023年9 月 12 日研究人員宣布韋伯太空望遠鏡(JWST) 首次對這一情況進行了評估，但它並沒有解開這個謎團。事實上，它使矛盾更加深了。
根據大多數模型，哈勃常數約等於每秒每兆秒差距 (km/s/Mpc) 68 公里。一兆秒差距約等於3,260光年。但在掃描了整個宇宙的恆星和星系后，一些專家計算出該常數為 69.8 km/s/Mpc，而另一些專家則發現它高達 74 km/s/Mpc，具體取決於測量方法。還有一些人提出了介於兩者之間的解決方案。
這種差異要麼表明我們的儀器不夠智能，要麼表明目前的理論是錯誤的。換句話說，也許目前我們對宇宙的理解的模型遺漏了一些東西？
2019 年，一些知名物理學家甚至齊聚加州卡維利理論物理研究所，正式嘗試解決問題。最後以失敗告終。從那時起，科學家們就繼續努力找出他們可能出錯的地方，並在一份清單上劃掉了對哈勃常數的可能解釋。
回到 JWST 的結果：星載天文台又劃掉了該清單中的一項。簡而言之，它表明所謂的危機可能不是哈勃太空望遠鏡的測量的技術問題造成的。
這是一件大事，因為哈勃觀測是科學家用來解碼哈勃常數的最常見特徵之一，或者更具體地說，哈勃對造父變星的觀測是最常見的特徵之一。
韋伯太空望遠鏡提供了新的能力來審查和完善這種緊張關係的一些最有力的觀測證據。來自約翰·霍普金斯大學和太空望遠鏡科學研究所的諾貝爾獎獲得者 亞當.里斯（Adam Riess） 介紹了他和同事最近利用韋伯觀測來提高哈勃常數局部測量精度的工作。
「宇宙學家想要解讀的標誌是宇宙速度極限標誌，它告訴我們宇宙膨脹的速度有多快——這個數字稱為哈勃常數。我們的星座被寫入遙遠星系的恆星中。這些星系中某些恆星的亮度告訴我們它們距離我們有多遠，因此這些光到達我們需要多長時間，而星系的紅移告訴我們宇宙在這段時間內膨脹了多少，從而告訴我們擴張率。
「一類特殊的恆星，即造父變星，一個多世紀以來為我們提供了最精確的距離測量，因為這些恆星非常明亮：它們是超巨星，亮度是太陽的十萬倍。更重要的是，它們在幾周內會脈動（即尺寸擴大和收縮），這表明了它們的相對亮度。周期越長，它們本質上越亮。它們是測量一億光年或以上星系距離的黃金標準工具，這是確定哈勃常數的關鍵一步。不幸的是，從我們遙遠的有利位置來看，星系中的恆星擁擠在一個狹小的空間里，因此我們常常缺乏將它們與鄰居恆星分開的解析度。
「建造哈勃太空望遠鏡的一個主要理由就是解決這個問題。在 1990 年哈勃發射以及隨後的造父變星測量之前，宇宙的膨脹速度非常不確定，天文學家不確定宇宙是否已經膨脹了 100 億年或 200 億年。這是因為更快的膨脹率將導致宇宙的年齡更年輕，而更慢的膨脹率將導致宇宙的年齡更老。哈勃望遠鏡比任何地面望遠鏡都具有更好的可見光波長解析度，因為它位於地球大氣層模糊效應之上。因此，它可以識別距離超過一億光年的星系中的單個造父變星，並測量它們改變亮度的時間間隔。
「然而，我們還必須在光譜的近紅外部分觀察造父變星，以看到毫髮無傷地穿過中間塵埃的光。（灰塵吸收並散射藍色光學光，使遠處的物體看起來很暗淡，並欺騙我們相信它們比實際距離更遠）。不幸的是，哈勃的紅光視覺不如藍色清晰，因此我們看到的造父變星的星光與視野中的其他恆星混合在一起。我們可以從統計上解釋平均混合量，就像醫生通過從體重秤讀數中減去衣服的平均重量來計算體重一樣，但這樣做會增加測量結果的噪音。有些人的衣服比其他人重。
「然而，敏銳的紅外視覺是韋伯望遠鏡的超能力之一。憑藉其大鏡子和靈敏的光學器件，它可以輕鬆地將造父變星光與鄰近恆星分開，而幾乎不會發生混合。在我們的通用觀測者計劃 1685韋伯運行的第一年，我們沿著所謂的宇宙距離階梯分兩步收集了哈勃發現的造父變星的觀測結果。第一步涉及以已知的幾何距離觀察星系中的造父變星，這使我們能夠校準造父變星的真實光度。對於我們的程序來說，星系是NGC 4258。第二步是觀測近期Ia 型超新星的宿主星系中的造父變星。
用於測量距離的造父變星周期-光度關係的比較。紅點來自韋伯，灰點來自哈勃。頂圖是 NGC 5584（Ia 型超新星宿主），插圖顯示每台望遠鏡看到的同一造父變星的圖像標記。底圖是 NGC 4258，這是一個幾何距離已知的星系，插圖顯示了用每台望遠鏡測量的 NGC 5584 和 NGC 4258 之間距離模數的差異。圖片來源：NASA、ESA、CSA、J. Kang (STScI)。科學：A. Riess (STScI)
「我們最近從第一步和第二步中獲得了第一個韋伯測量結果，這使我們能夠完成距離階梯，並與哈勃之前的測量結果進行比較（見圖），由於天文台的解析度為近紅外波長。這種改進是天文學家夢寐以求的！我們在前兩步觀測到了 320 多個造父變星。我們確認早期的哈勃太空望遠鏡測量結果是準確的，儘管噪音較大。我們還用韋伯觀測到了另外四個超新星宿主，我們在整個樣本中看到了類似的結果。
「結果仍然無法解釋為什麼宇宙膨脹得如此之快！我們可以通過觀察宇宙的嬰兒圖像（宇宙微波背景）來預測宇宙的膨脹速度，然後利用我們關於它如何隨時間增長的最佳模型來告訴我們宇宙今天應該膨脹多快。目前對膨脹率的測量大大超過了預測，這一事實是一個長達十年的問題，稱為「哈勃張力」。最令人興奮的可能性是，張力是我們在理解宇宙時所缺失的一些線索。
簡而言之，哈勃常數的新數值為每秒每兆秒差距 74 公里（46 英里）。而用普朗克觀測儀對早期宇宙微波背景輻射的得到觀測值，再加上目前天文學家公認的宇宙的模型來推算，宇宙的膨脹速度應該是每秒每百萬秒差距 67 公里（41.6 英里），兩者相差9%，這一差值遠大於測量的系統誤差，這表明天文學家對宇宙的認識可能有嚴重的偏差。
參考資料：
https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/webb-confirms-accuracy-of-universes-expansion-rate-measured-by-hubble
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來源:正見新聞網