宇宙膨胀的速度有多快？
人们可能会认为，科学家们很久以前就解决了这个基本问题，埃德温·哈勃近一个世纪前首次探索了这个问题。但现在答案取决于你问谁。使用普朗克卫星研究宇宙微波背景辐射（来自“早期”宇宙的光，仅在大爆炸后约 38 万年）的宇宙学家得出了膨胀率的高精度值，称为哈勃常数 (H0)。观测离我们较近的恒星和星系（在“晚期”宇宙中）的天文学家也以极高的精度测量了 H0。然而，这两个数字并不一致。根据普朗克的数据，H0 应该约为 67——简而言之，宇宙每 326 万光年膨胀速度快约 67 公里/秒。来自超新星 H0 状态方程 (SH0ES) 项目的晚期宇宙的最有影响力的测量结果 将哈勃常数定为约 74。
这种差异——所谓的哈勃张力——多年来一直在增长，随着一项又一项对早期和晚期宇宙的研究得出越来越精确的结果，并让双方的科学家都感到焦虑和困惑。毕竟，可能是任何一方都在某种程度上错误地测量了宇宙。但这种张力可能是现实的真实反映，需要奇异的新物理学和对我们宇宙演化理解的重大修正。
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7 月 4 日，来自晚期宇宙的最新结果发布，加强了 SH0ES 的数据，将张力推过了物理学家用作真正发现基准的统计显着性阈值。一时间，新物理学的前景比以往任何时候都更加突出。然而，几天后，另一批独立的晚期宇宙测量结果使这场辩论变得更加混乱，得出了 H0 值为 69.8，介于普朗克和 SH0ES 的标准值之间。大部分戏剧性事件在 7 月 15 日至 17 日在加利福尼亚州圣巴巴拉卡弗里理论物理研究所举行的早期宇宙和晚期宇宙之间的张力会议上实时展开。
“这周太过分了。哈勃常数，你喝醉了，回家吧，”杜克大学 SH0ES 成员丹·斯科尔尼克在会议上又一个令人困惑的哈勃常数新结果揭晓后发推文说。
不断上升的张力
SH0ES 是约翰·霍普金斯大学的天体物理学家亚当·里斯十多年前发起的一个项目，它通过测量到其他星系的距离来估计宇宙的膨胀速度。通常通过简单地绘制太阳系行星和附近恒星在天空中随时间的运动来完成此类测量。但是 SH0ES 研究的遥远星系距离太远，以至于它们的位置几乎没有变化——它们在天空中显得“固定”。因此，里斯和他的同事转而使用白矮星爆炸产生的超新星的视亮度，他们将其与超新星的内在光度进行比较以找到距离。然后，SH0ES 从超新星的距离和红移（宇宙膨胀对其发射光线的拉伸）中获得 H0。为了将亮度与光度联系起来，数据必须根据标准烛光（已知光度的天体物理物体）的亮度测量值进行校准。作为标准烛光，SH0ES 使用造父变星，即以揭示其真实光度的方式脉动的恒星。SH0ES 团队找到了足够靠近地球的造父变星，可以直接测量它们的距离以获得光度。通过这种方式，他们测量了遥远星系（包含造父变星和白矮星超新星）的距离，以及由此得出的 H0 值。
（相比之下，普朗克对 H0 的估计依赖于测量宇宙微波背景辐射的特征，并使用称为 Lambda-CDM 的宇宙学标准模型预测其演化。Lambda-CDM 使用关于早期宇宙组成的估计来提供对其随时间推移膨胀的高精度描述。）
7 月 4 日的结果大大加剧了张力，该结果来自另一个名为 H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring (H0LiCOW) 的项目，该项目旨在获得独立于 SH0ES 的晚期宇宙结果，使用一种称为引力透镜的技术。引力透镜是爱因斯坦广义相对论预测的一种现象，其中一个巨大的前景物体可以充当透镜，扭曲来自远处背景物体的光线。H0LiCOW 合作专注于类星体——极其明亮且非常遥远的星系核心，其中包含活跃的超大质量黑洞——它们被介入星系引力透镜化，正如从地球上看到的那样。来自类星体的透镜光可以沿着多条路径到达地球——有些较短，有些较长——从而导致该类星体的多个时延图像出现在前景星系的边缘。
“光线采取的不同路径具有不同的长度，因此会产生时延。而且它们穿过 [透镜] 星系的不同部分，因此它们经历的引力大小也不同，”H0LiCOW 成员兼加州大学戴维斯分校天体物理学家克里斯托弗·法斯纳赫特说。H0LiCOW 团队使用这样的时延——以及其他属性，例如类星体的红移和沿透镜图像光路估计的质量分布——计算出 H0 值为 76.8。加上最新的 SH0ES 结果，这个数字将与普朗克早期宇宙 H0 测量的张力提高到不确定度的五倍，或五西格玛——物理学发现的黄金标准，相当于结果具有三千五百万分之一的概率是统计上的偶然事件。“对许多人来说，这是一个神奇的数字，”里斯说。“你知道，我早就确信了。”他指出，五西格玛标准是由粒子物理学家制定的，他们的无数实验例行公事地产生了拍字节的数据。里斯说，由于宇宙学观测通常产生的数据要少得多，因此统计偶然事件的可能性较低。
巨大的进步，新的标准
H0LiCOW 的结果让晚期宇宙一侧的研究人员感到自豪——但好景不长。7 月 16 日，在圣巴巴拉卡弗里会议的中间，卡内基科学研究所和芝加哥大学的研究人员投下了一颗重磅炸弹：另一个 H0 测量值，来自一种新开发的标准烛光，与 SH0ES 的造父变星不同。这个独立的 H0 计算值为 69.8，使张力的统计显着性降回略低于崇高的五西格玛。
这种新的标准烛光主要由芝加哥大学天体物理学家温迪·弗里德曼（哈勃常数研究的先驱）开发，它使用红巨星——衰老的恒星，在数百万年的时间里，随着它们从耗尽大部分能量较低的氢燃料后过渡到燃烧核心的氦，它们的体积和亮度会膨胀。这个过程最终以“氦闪”告终，氦闪是由于氦燃烧激增而导致的快速增亮，之后恒星会急剧变暗。天体物理模型可以准确预测发生氦闪的最高温度和压力，使研究人员能够辨别红巨星可以达到的峰值亮度。因此，在理论极限下发光的红巨星可以成为标准烛光。弗里德曼和她的同事研究了 18 个大型星系周围稀疏的恒星晕中的此类恒星，使用它们来校准超新星，从而得出了中等的 H0 估计值。
除了提供独立的检查外，弗里德曼的方法还可以避开与其他常见标准烛光相关的一些令人烦恼的问题。最值得注意的是，由于红巨星位于星系不拥挤的外围，因此与造父变星相比，它们不太容易受到星际尘埃和其他附近恒星的污染影响。“随着我们向远处前进，我们真的在 [造父变星] 上苦苦挣扎，因为它们是年轻的恒星。因此，我们只能在恒星形成正在进行的旋涡星系的盘中找到它们，因此我们必须在整个星系的背景下找到它们。红巨星位于晕中，是孤立的，并且更容易测量这些恒星的准确光度，”弗里德曼说。
然而，根据里斯的说法，新方法的中间 H0 值本身可能是系统误差的产物，并非来自高保真测量，而是来自弗里德曼和她的同事对大麦哲伦星云（一个靠近银河系的矮星系，他们用它来校准红巨星观测）中尘埃量的猜测。“他们的新方法给出了更多的尘埃，”里斯说——这种情况可能会导致弗里德曼的团队低估星系的距离，从而低估 H0 的实际值。此外，卡弗里会议上公布的其他三个 H0 结果——基于对新型变星、星系中心的微波辐射以及星系核到尖端亮度测量的研究——都更接近 SH0ES 值。看来，这种张力不会很快消失。
如果这种张力是真实的，那么物理学家用来描述早期宇宙的模型就不完整。但加州大学戴维斯分校的早期宇宙宇宙学家劳埃德·诺克斯表示，该模型已经正确预测了如此多的数据，以至于许多研究人员不愿意放弃它。“Lambda-CDM 模型非常成功，”他说。“如果对该模型进行重大修改，很难看出它怎么不会看起来像一个阴谋。不知何故，这个‘错误’的模型全都正确了。”
到目前为止，所有提出的 Lambda-CDM 修改都有缺点。有些缩小了张力，但恶化了模型对其他数据的预测。存在保持其成功的解决方案，但物理学界不愿接受任何感觉不直观的东西。“没有那种神奇的子弹可以做到这一点，”斯科尔尼克说。当然，这并不意味着不存在答案。
每个人都同意一件事——需要更多数据。使用来自早期宇宙数据的两种独立测量 H0 的方法非常一致，而相反的晚期宇宙文献正在增长。“我认为新物理学的可能性仍然是真实的。这是一个令人兴奋的问题，”弗里德曼说。但是，她补充说，她的结果表明，天文学家最可靠的标准烛光可能受到系统误差的影响，而这些系统误差直到现在才被注意到。
“我们正处于五西格玛阈值，这就是这一刻如此特别的原因，”斯科尔尼克说。“我们遇到了这个难题，我们只是缺少几个碎片。”