宇宙到底膨脹得多塊？最精確的近域宇宙膨脹率還是解決不了哈勃常數(shù)爭議

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翻譯：楊幸允

校對：牧夫校對組

編排：陳宏宇

后臺：朱宸宇

https://noirlab.edu/public/news/noirlab2611/?lang

一項對天文觀測數(shù)據(jù)的新綜合分析證實了（關(guān)于哈勃常數(shù)）長期存在的爭議，這可能指向超出當(dāng)前模型的物理學(xué)。

圖片來源：美國國家光學(xué)紅外天文研究實驗室（NOIRLab）

一個國際天文學(xué)家合作團(tuán)隊完成了迄今為止對近域宇宙膨脹速度最精確的測量之一。這一結(jié)果加劇了現(xiàn)代宇宙學(xué)中最重要的挑戰(zhàn)之一。美國國家科學(xué)基金會資助的美國國家光學(xué)紅外天文研究實驗室（NOIRLab）的天文學(xué)家約翰·布萊克斯利（John Blakeslee）是該合作團(tuán)的成員；來自美國國家光學(xué)紅外天文研究實驗室的兩個項目的望遠(yuǎn)鏡也提供了數(shù)據(jù)支持。

天文學(xué)家一直試圖通過兩種本質(zhì)上不同的方法來測量宇宙的膨脹速率。一種方法依賴于測量近域宇宙中恒星和星系的距離。另一種方法則利用宇宙微波背景輻射的觀測數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型下推算當(dāng)前的膨脹速率。

理論上，這兩種方法應(yīng)當(dāng)?shù)玫较嗤慕Y(jié)果，但實際上并非如此。基于近域宇宙的測量結(jié)果通常給出較高的膨脹速率——大約為73千米每秒每兆秒差距；而基于早期宇宙推算的數(shù)值則較低，大約為67或68。盡管數(shù)值差異看似不大，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了統(tǒng)計不確定性所能解釋的范圍。這種持續(xù)存在的分歧被稱為“哈勃常數(shù)爭議”（Hubble tension），并已在多項獨立的研究和不同的測量方法中被觀測到。

通過將數(shù)十年的獨立觀測整合到一個統(tǒng)一框架中，這一國際天文學(xué)家團(tuán)隊實現(xiàn)了迄今為止對近域宇宙膨脹速率最精確的直接測量。在4月10日發(fā)表于《天文學(xué)與天體物理學(xué)》的一篇論文中，H0距離網(wǎng)絡(luò)（H0DN）合作組報告哈勃常數(shù)為73.50 ± 0.81千米每秒每兆秒差距，對應(yīng)的精度略高于1%。

橫軸為哈勃常數(shù)（單位：千米每秒每秒差距）。縱軸為哈勃常數(shù)的數(shù)據(jù)來源，從上到下三個類別分別為：早期宇宙、（近域）直接觀測和強(qiáng)引力透鏡。其中黃色高亮的是本篇研究的結(jié)果。圖中綠色和紅色的陰影區(qū)域表明了哈勃常數(shù)爭議的存在，即數(shù)值本身的差距在統(tǒng)計誤差之外。圖片來源：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202557993

這項題為《近域距離網(wǎng)絡(luò)：關(guān)于以約1%精度測量哈勃常數(shù)的社區(qū)共識報告》的研究，是2025年3月在瑞士伯爾尼國際空間科學(xué)研究所（ISSI）舉辦的“H0od之下有何秘密？”突破性研討會上啟動的廣泛社區(qū)合作所取得的成果。

“這不僅僅是一個新的哈勃常數(shù)值”，該合作團(tuán)隊指出，“這是一個由科學(xué)界共同構(gòu)建的框架；它將數(shù)十年來獨立的距離測量結(jié)果整合在一起，既透明又易于獲取。”

美國國家光學(xué)紅外天文研究實驗室為這一工作提供了專業(yè)知識和觀測數(shù)據(jù)支持。該機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家、研究與科學(xué)服務(wù)主任約翰·布萊克斯利也是合作成員之一。這項研究的數(shù)據(jù)來自于美國國家光學(xué)紅外天文研究實驗室的的項目：位于智利的托洛洛山美洲天文臺（CTIO）和美國亞利桑那州的基特峰國家天文臺（KPNO）的望遠(yuǎn)鏡。這些數(shù)據(jù)被整合進(jìn)一個涵蓋地面與空間觀測站的更大合作框架中，從而增強(qiáng)了整體結(jié)果的可靠性。

研究團(tuán)隊并未依賴單一的方法，而是構(gòu)建了一個“距離網(wǎng)絡(luò)”，將多種測量近域宇宙距離的技術(shù)連接起來。這些方法觀測了脈動造父變星、具有已知亮度的紅巨星、Ia型超新星以及特定類型的星系。這個方法使得多個獨立研究能夠指向同一最終結(jié)果，并允許天文學(xué)家們進(jìn)行關(guān)鍵的檢驗：哈勃常數(shù)爭議是否源于某一種方法的誤差？結(jié)果表明這種可能性很低。即使從分析中移除某些獨立的觀測數(shù)據(jù)，整體結(jié)果變化也很小。各項獨立測量彼此一致，從而強(qiáng)化了對鄰近宇宙膨脹速率測量的可靠性。

“這項工作明確地排除了將哈勃常數(shù)爭議歸因于近域距離測量中某個被忽視的單一誤差的解釋”，論文作者們總結(jié)道，“如果正如越來越多的證據(jù)所表明的那樣，這個常數(shù)爭議確實存在，它可能指向超出標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的新物理。”

這一結(jié)果意義重大。由早期宇宙推導(dǎo)出的較低膨脹率依賴于描述了自大爆炸以來宇宙的演化的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型。如果該模型是不完整的——例如未能充分解釋暗能量、新粒子或引力修正——那么它對當(dāng)前膨脹速率的預(yù)測就會受到影響。

在這種情況下，哈勃常數(shù)爭議可能不是測量誤差的結(jié)果，而是當(dāng)前宇宙模型缺失關(guān)鍵組成部分的證據(jù)。近域距離網(wǎng)絡(luò)也為未來的研究建立了一個框架。通過公開他們的方法和數(shù)據(jù)，這個合作團(tuán)隊為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。下一代觀測設(shè)備有望提供更精確的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家將努力確定哈勃常數(shù)爭議最終是否會被解決，還是將繼續(xù)指向新的物理理論。

論文原文：

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202557993

責(zé)任編輯：郭皓存

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為什么彗星R3（PanSTARRS）有一條輕盈的尾巴？太陽系內(nèi)最新明亮的彗星C/2025 R3（PanSTARRS）已經(jīng)在噴射出令人印象深刻的發(fā)光氣體流。這條尾巴起始于一個看不見的中央臟冰核，直徑可能只有幾公里。原子核被太陽加熱，釋放出一團(tuán)中性氣體云，進(jìn)入一個發(fā)出淺綠色光芒的昏迷狀態(tài)。被高能陽光電離的核氣體被太陽風(fēng)推離，形成發(fā)出淺藍(lán)色光芒的離子尾巴。離子尾巴的細(xì)膩特性是由太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)不斷變化引起的。兩天前拍攝于美國羅德島的R3彗星（PanSTARRS）展示了一個多度離子尾巴。R3彗星（PanSTARRS）在黎明前從北方天空觀測最佳，持續(xù)10天，之后從南方天空觀察效果最佳。

圖片版權(quán)：Haythem Hamdi