宇宙的膨胀速度有多快？这取决于你问谁。将目光投向环绕我们周围相对较近的恒星和星系，你将得到一个特定的数值，这个数值被称为哈勃常数。但是，如果你观察更遥远的宇宙，你将得到一个略有不同的数值。这种差异，被称为哈勃张力，虽然很小，但却具有重大的影响。这种张力可能仅仅是由我们的测量缺陷造成的——或者它可能指向我们对宇宙结构理解的根本性差距。诚然，即使没有任何张力，宇宙膨胀率也存在着深刻的谜团——即，它正在被暗能量加速，这是一种迄今为止无法解释的力，我们几乎一无所知。现在，一项新的哈勃常数测量，通过观察一颗遥远的爆炸恒星或超新星的镜像图像，使情况变得更加复杂。
在今天发表在《科学》杂志上的研究中，明尼苏达大学的帕特里克·凯利和他的同事利用来自遥远超新星 Refsdal 的时间延迟来测量哈勃常数。他们得出的膨胀率为每百万秒差距 66.6 公里/秒 (km/s/Mpc)，或每 326 万光年 66.6 公里/秒，不确定度为 7%。 (2017 年对该超新星的先前研究得出了类似的结果，但统计不确定性明显更大。)
考虑到相关的不确定性，这个数字——66.6 公里/秒/百万秒差距——可能与所谓的本星系群中其他基于超新星的测量结果不一致。这些测量结果往往会产生更高的哈勃常数值：约为 73 公里/秒/百万秒差距。然而，66.6 公里/秒/百万秒差距与来自“早期”宇宙中更遥远来源的哈勃常数测量结果惊人地相似，后者得出的数值约为 67 公里/秒/百万秒差距。“我们的测量结果与宇宙微波背景 [CMB] 的测量结果更吻合，”凯利说，宇宙微波背景本质上是宇宙大爆炸的残余热量，来自宇宙刚刚超过 40 万年火球时期。“尽管考虑到不确定性，它并没有排除来自本星系群距离阶梯的测量结果。”
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哈勃常数可以通过多种方式测量。对于本星系群，大多数方法依赖于各种标准烛光——某些类型的超新星和其他天体物理物体，它们具有已知的、几乎不变的固有亮度，从而可以更容易地确定它们相对于我们的距离和运动。来自多种标准烛光的测量结果可以串联起来，使天文学家能够测量出更远距离的哈勃常数，每个标准烛光都是所谓的“宇宙距离阶梯”上的一个“阶梯”。但是，宇宙距离阶梯在真正遥远的距离上开始摇摇欲坠。为了测量早期宇宙中普遍存在的哈勃常数，研究人员主要使用 CMB。穿过充满早期宇宙的炽热等离子体的声波在 CMB 上留下了明显的图案，天文学家可以将其用作标准标尺来绘制宇宙随后的膨胀。
1964 年，挪威天体物理学家休尔·雷夫斯达尔首次提出，超新星可以用来测量哈勃常数的另一种方法。如果一颗遥远超新星的光在到达地球的途中，恰好经过一个巨大物体（例如星系团）的引力范围，那么光可能会被“引力透镜”效应——即弯曲和偏转，从而沿着多条发散路径到达地球，有些路径更长，有些路径更短。最终结果将是一颗超新星在天空中略微偏移的位置多次出现，每次显现之间的延迟对应于其光线传播的总距离。将这些延迟与超新星远离我们的速度（通过测量称为红移的属性获得）以及透镜星系团的质量相结合，将提供哈勃常数的值。
2014 年 11 月，当时在加州大学伯克利分校的凯利和他的同事发现了第一个已知的此类事件——超新星 Refsdal，它发生在距地球约 140 亿光年的地方。他们正确地预测了来自超新星的透镜图像的到达，该图像在约 360 天后，于 2015 年底到达地球。现在，该团队终于成功地使用 Refsdal 来测量宇宙的膨胀率。“这与以前所做的任何事情都不同，”凯利说。为了得出一个数值，该团队分组工作，独立评估盲法数据，最终确定了其意外结果，约为 66.6 公里/秒/百万秒差距。
芝加哥大学的天文学家温迪·弗里德曼说，这个结果是“对我们哈勃常数知识的极好补充”，她专门研究宇宙膨胀率的研究，并且没有参与这篇新论文。“它完全独立于任何其他类型的方法。”
天文学家以前曾使用透镜效应来测量宇宙的膨胀，但使用的是类星体——某些星系极其明亮的核心——而不是超新星。2017 年，一个名为 H0LiCOW 的团队使用这种方法得出的数值约为 72 公里/秒/百万秒差距。德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所的 H0LiCOW 负责人雪莉·须裕说，透镜类星体在天空中“更丰富”，这使该方法具有一些优势。但是，超新星显示出更明显的亮度变化，这意味着可以更精确地测量图像中的确切时间延迟，从而可能提供更高的精度。“你真的能看到这种剧烈的变化，”须裕说。
但是，虽然类星体可以发光数百万年——对于我们来说基本上是永远——但超新星的寿命很短，只能在几周或几个月内发光。“你必须能够在早期找到它们，”须裕说。“如果你错过了它，它们就消失了。”迄今为止，只知道少数几个时间延迟超新星。最近的一个名为 H0pe 的超新星是詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 今年早些时候发现的。因此，虽然 Refsdal 是第一个被用来测量宇宙膨胀率的此类事件，但它无疑不是最后一个。
如果凯利和他的团队的数值站得住脚，这将表明我们可能需要调整我们对暗物质性质的最佳猜测——暗物质是一种神秘的、看不见的物质，似乎赋予星系和星系团大部分质量，从而调节引力透镜效应。如果这是真的，凯利说，他们的结果“意味着我们的星系团中暗物质模型一定存在缺陷。”更新这些模型反过来可能会要求更改所谓的宇宙学标准模型，该模型假定某种相当惰性的“冷”暗物质和特定类型的暗能量共同作用，引导星系和星系团在宇宙时间中的生长和演化。
“我们尚不了解暗物质和暗能量是什么，”弗里德曼说。“在本星系群测量哈勃常数是直接检验该模型的一种方法。如果这表明标准模型中缺少一些基本的物理学知识，那将是非常令人兴奋的。”
然而，并非所有人都确信即将发生如此巨大的宇宙学变革。杜克大学的丹尼尔·斯科尼克说，该结果的 7% 不确定性仍然足够大，可以在边际上将其置于其他本星系群结果的范围内。“如果他们的不确定性变得小得多，那么每个人现在都应该认真反思，”斯科尼克说，他没有参与这项研究。“这将非常令人困惑，因为所有本星系群的测量结果似乎都认同更高的数值。”
为了确定，需要研究更多的时间延迟超新星，并且需要确定它们的哈勃常数值。此类结果可能会更快出现：预计 JWST 将在未来几个月内对 H0pe 进行测量，而即将于明年启动的智利薇拉·鲁宾天文台应该会大大增加已知时间延迟超新星的数量。“我们将发现更多这些，”凯利说。“如果他们都倾向于较低的哈勃常数值，那将加剧分歧。希望我们能找出问题所在。”
编者注 (2023 年 5 月 11 日)：本文在发布后经过编辑，以更好地阐明帕特里克·凯利关于他的团队的测量结果与宇宙微波背景更吻合的评论。正文此前已于 5 月 11 日修订，以更正每百万秒差距 66.6 公里/秒的结果的不确定性，并更好地阐明与先前测量结果的潜在冲突。