詹姆斯·韦伯太空望远镜揭开宇宙膨胀速度之谜

宇宙正在膨胀——但天文学家对膨胀速度的看法并不一致。美国宇航局的超级天文台詹姆斯·韦伯太空望远镜刚刚证实，我们对宇宙膨胀的理解存在问题。詹姆斯·韦伯太空望远镜的新测量结果是同类测量中最精确的，但它们并没有解决科学家追踪宇宙膨胀的两种方法之间令人困惑的不一致问题。

1929 年，天文学家埃德温·哈勃发现，我们能看到的所有星系都在远离我们。星系距离与其移动速度之间的关系现在被称为哈勃定律。该定律使用同名的哈勃常数来描述宇宙膨胀的速度。它还告诉我们宇宙的年龄：天文学家可以使用哈勃常数将时间“倒回”到宇宙在空间中只是一个点的时候——大爆炸。

测量这个基本数字的主要方法有两种。一种是追踪宇宙诞生之初宇宙微波背景的微小波动。另一种是观察被称为造父变星的闪烁恒星。但这两种方法不一致。这种令人困惑的不匹配被称为哈勃张力，目前尚不清楚这是我们的宇宙模型还是我们的测量方法存在问题。

如果是我们的测量结果，错误可能源自我们观测造父变星的方式。天文学家认为这些天体是一种“标准烛光”，即已知其固有亮度的太空物体。我们可以观察这些恒星在天空中有多亮。如果它很暗，说明它离我们更远。越亮说明它离我们越近。

研究人员利用这些恒星的光度作为测量距离的尺度。然后，他们利用光谱等方法测量遥远星系的运动。将这些观测结果结合起来，我们就能知道宇宙膨胀的速度有多快。

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“当我们使用这样的造父变星时，我们需要非常非常确定我们测量的亮度是正确的，否则我们的距离测量就会出错。然而，造父变星可能位于星系的拥挤部分，如果我们的望远镜不够灵敏，我们就无法清楚地区分造父变星和它周围的恒星，”美国国家科学、工程和医学院项目官员、天文学家塔里尼·康查迪解释说。

在 JWST 之前，哈勃太空望远镜 (HST) 对造父变星的测量效果最好。HST 无法区分聚集在拥挤区域中的单个造父变星，但 JWST 可以——而且它确实做到了。JWST 窥视了两个遥远的星系，对哈勃常数的测量比 HST 好 2.5 倍。

“韦伯的测量结果大大降低了造父变星测量中的噪音，”项目负责人、约翰霍普金斯大学天文学家亚当·里斯在美国宇航局的新闻稿中说道。“这种改进是天文学家梦寐以求的！”

JWST 的主要优势之一是它能够用红外光观察宇宙，这有助于穿透我们的望远镜和造父变星之间的尘埃。“敏锐的红外视觉是詹姆斯·韦伯太空望远镜的超能力之一，”里斯说。

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然而，新的测量结果与哈勃望远镜的测量结果相吻合，只是误差较小——所以我们不能自信地将谜团归咎于那些旧数字。

然而，里斯和团队的新成果才刚刚开始，他们还有更多星系需要用詹姆斯韦伯望远镜观测。芝加哥大学天文学家阿比盖尔·李说：“我认为，詹姆斯韦伯望远镜是否已经完全消除拥挤现象，从而解决哈勃张力问题，目前尚无定论。分析詹姆斯韦伯望远镜计划观测的其余 42 个星系的数据，将阐明哈勃张力是否真实存在，或者造父变星测量结果是否确实存在误差。”

宇宙的命运，或者至少是哈勃望远镜的紧张局势，不仅仅取决于詹姆斯·韦伯望远镜。未来几年，许多其他设施也将投入使用，为这项调查提供更多证据。例如，维拉·鲁宾天文台明年启用后，将每隔几晚扫描整个南半球天空，并可能发现更多造父变星。

康查迪说：“天文学家现在正面临着迄今为止最敏感、影响最广泛的数据的冲击。”虽然目前可能还没有明确的答案，但天文学家肯定正在努力解开这个谜团。

这篇文章已更新，包括有关测量膨胀率的天文方法的更多细节。