在 2021 年圣诞节的早晨，天文学家们注视着他们全新的、最伟大的工具成功发射升空进入太空。现在，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 已完全展开，并已抵达其深空目的地，一个距离地球 150 万公里的静谧之地。
马西莫·斯蒂亚韦利 负责 JWST 使命办公室，该办公室隶属于 研究所，该研究所负责分配望远镜的研究时间。斯蒂亚韦利表示，“科学的每个领域都包含在”他的团队批准的提案中，从寻找潜在宜居的系外行星到研究最早期的恒星。 然而，他尤其希望 JWST 能够帮助解决现代天文学中最大的争议之一：关于宇宙膨胀速度的争论。
加州大学洛杉矶分校的天体物理学家 托马索·特鲁 说：“如果你试图测量当前的膨胀速度，嗯，人们会使用各种技术，他们往往会得到一个特定的数字。结果证明，这些数字并不匹配。”
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宇宙膨胀率（称为哈勃常数）的测量值目前聚集在两个数字附近：67 和 73。 每个数字都是同一事物的表达——宇宙膨胀的速度，以每秒公里为单位，每百万秒差距（约 326 万光年）的空间。 尽管看起来微小，但这些数字之间的差异与其他宇宙学测量中存在的高精度一致性相比是巨大的。 简而言之，有些事情不太对劲。
研究人员不确定如何解释这种差异，他们称之为 哈勃张力。 这可能只是测量哈勃常数的不同方式导致的一个误差。 否则，这种张力可能会给目前我们对物理学的理解带来麻烦，迫使理论家们重新审视（甚至可能抛弃）他们最珍视的一些模型。
约翰·霍普金斯大学的天体物理学家 亚当·里斯 说：“测量膨胀率的探索可以追溯到大约 100 年前。” 参与这项探索的科学家分为两大阵营。
第一个阵营收集来自非常早期的宇宙的数据。 这些研究人员依赖于宇宙微波背景，这是大爆炸后大约 40 万年的残留辐射。 通过从宇宙微波背景中获取测量值，并使用我们最好的物理模型将其外推到今天，这个阵营的天文学家可以得出今天宇宙膨胀率的估计值。 他们的计算 表明哈勃常数约为 67。
但里斯补充说，JWST 不会改善此类测量。 来自早期宇宙的微波的波长太长，JWST（专注于红外光）无法探测到。 相反，JWST 有潜力改进另一个阵营（里斯是其中的杰出成员）的结果：本地测量。
“本地”是一个相对术语。 在这里，它指的是哈勃常数的测量，这些测量取决于计算到恒星和星系的距离，这些恒星和星系可能“只有”数百万光年远。 特鲁说：“测量距离是测量哈勃常数所必需的，因为哈勃常数是距离随时间变化的方式。”
天文学家已经找到了一些方法来测量这种天体距离。 它们中的大多数依赖于“标准烛光”，即已知亮度的天文物体。 通过比较此类物体的实际固有亮度与其通过望远镜的视亮度，观测者可以可靠地确定其与地球的距离。
芝加哥大学的天文学家 温迪·弗里德曼 使用某一类红巨星作为她首选的标准烛光。 弗里德曼解释说，“（这些恒星的）物理特性导致了这种标准光度”，这使它们成为完美距离指示器。 弗里德曼的团队使用哈勃太空望远镜观测这些红巨星，在 2019 年得出了 哈勃常数的估计值 ：约为 70。
这在本地估计中处于低端。（事实上，它令人恼火地介于每个阵营所接受的标准值之间。）里斯的工作使用 超新星和造父变星 而不是红巨星作为标准烛光，他指出，大多数本地研究产生的哈勃常数值都略高——有些高达 75，平均约为 73。
这比早期宇宙阵营的测量范围要大得多。 同样，本地研究往往比使用早期宇宙数据的研究具有更大的“误差条”（或不确定性）。
这就是 JWST 可以发挥作用的地方。 通过在红外光谱中进行观测，它将能够直接穿透太空尘埃的恼人云层，这些云层常常干扰本地天文学家的测量。 哈勃太空望远镜——之前本地天文学家的首选工具——红外能力要 modest 得多； 它的红外测量以降低图像质量为代价。 正如里斯解释的那样，JWST 可以兼顾两者：在红外线中观测并保持高分辨率成像。
更清晰、无尘的图像：这就是 JWST 的承诺。
JWST 是一项如此巨大的技术进步，以至于许多天文学家并没有改变他们的方法，而是计划仔细复制他们之前的研究，以查看结果是否会发生变化。 里斯和弗里德曼都获得了 JWST 的研究时间来做到这一点。
他们的结果是否会改变是不确定的。 来自 JWST 的数据可能会导致本地研究聚集在哈勃常数的估计值附近，该估计值与来自早期宇宙阵营的估计值一样低。 但这似乎非常不可能：里斯指出，几乎没有本地研究产生如此低的结果，正如没有早期宇宙研究产生高达 73 的结果一样。
那么，如果本地研究再次聚集在 73 附近，但这次精度更高，那意味着什么呢？ 特鲁认为，这将意味着哈勃张力是一个真正的差异，而不仅仅是研究误差的结果。
如果是这样，特鲁补充说，这可能表明我们对物理学的理解中存在一些根本性的缺失。 因为早期宇宙研究依赖于物理模型将其原始数据外推到今天，所以缺失的物理学可能是这些研究产生低至 67 的数字的原因。
什么样的缺失物理学？ “可能还有另一种中微子，”里斯说。 “可能是早期的暗能量。 可能是衰变的暗物质。 可能是原始磁场。 所有这些 已被提出 作为有助于减轻或解释这种情况的事物。” 但里斯指出，除了它们可能有助于解释哈勃张力之外，这些都没有“强有力的第二条证据”。
同样，弗里德曼指出，这些想法中的大多数最终都会“破坏”物理学的其他公认部分。 弗里德曼说：“事实证明，这真的很难解决——但这并不是说在某个时候没有人会想出一个绝妙的主意。”
物理学中可能存在漏洞。 不能保证 JWST 会帮助我们弄清楚如何填补它。 但通过更深入地了解哈勃张力，JWST 至少可以帮助确认这个漏洞确实存在。