自 20 世纪初以来，我们就知道宇宙在膨胀。然而，它膨胀的速度 仍然是一个棘手的问题。到目前为止，我们对宇宙的理论理解预测的膨胀率比我们根据实际观测计算出的速度慢约 8%。这种差异被称为哈勃张力，其背后的原因仍然是物理学上最大的未解之谜之一。
最明显的潜在解释是我们的测量不准确。然而，12 月 9 日发表在《天体物理学杂志》上的一篇新论文，通过将哈勃空间望远镜的数据与詹姆斯·韦伯空间望远镜的新观测进行交叉核对，并发现两者几乎完美一致，进一步证实了我们现有的观测结果。
什么是哈勃常数，我们如何测量它？
宇宙膨胀的速度用一个称为哈勃常数的值来表示，通常缩写为“H0”。我们宇宙的一个怪癖是，它的膨胀速度随距离而变化——物体离我们越远，它离我们的速度就越快。为了反映这一事实，该常数以千米/秒/百万秒差距 (km/s/Mpc) 为单位表示，其中百万秒差距是大约 30 万光年的距离单位。
我们最好的宇宙模型，“ΛCDM 模型”（Lambda/Cold Dark Matter），预测 H0 的值为 67–68 km/s/Mpc。然而，我们的观测将 H0 定在约 73 km/s/Mpc。这究竟是怎么回事？
要理解这一点，我们首先需要了解 H0 是如何测量的。科学家通过研究遥远的天体——恒星、星系、超新星——来做到这一点，并找出 a) 它们有多远以及 b) 它们远离我们的速度有多快。
攀登宇宙距离阶梯
第一步是能够计算出遥远天体离我们的距离——确定宇宙距离很少是一项直接的任务。正如论文的合著者之一 Siyang Li 苦涩地说：“我们的很多工作都涉及测量星系之间的距离——[这]是天文学中一项非常非常困难的事情。”
Li 解释说，为了进行这些计算，天文学家使用了所谓的“宇宙距离阶梯”。这个阶梯从离地球约 1000 秒差距内的天体开始，我们可以用简单的三角学计算出它们的距离。对于更远的天体，Li 说：“我们确实需要两条信息。一是视星等：这颗恒星在我们看来有多亮？另一个是这颗恒星的内在光度：它本身有多亮？”
这两个值之间的差异是距离的函数：物体越远，它看起来就越暗。（想象一下从一个灯泡发出的光线膨胀的球体；如果你离灯泡很近，许多光线会到达你，但当你离得越来越远时，越来越多的光线会错过你。）这两个值和物体的距离之间存在相对简单的关系，所以如果我们知道其中两个值，我们就可以计算出第三个值。
这很有用，因为有一些类别的天体——称为“标准烛光”——它们都具有相同的内在光度。（例子包括 Ia 型超新星，以及一类称为造父变星的恒星。）一旦我们确定了一类标准烛光的内在光度——这个过程称为校准——我们就可以利用这些信息来计算相似的、距离太远而无法直接计算的天体的距离。然后可以为另一类标准烛光重复这个过程。
一旦我们知道一个天体的距离，我们需要第二条信息是它远离我们的速度有多快。随着宇宙的膨胀，来自这些天体的光到达我们的时间越来越长，其波长被它所穿越的膨胀时空拉伸。这种现象被称为“红移”，如果我们能确定给定天体的光红移了多少，我们就可以计算出该天体远离我们的速度。
计算哈勃常数
一旦我们获得了这两条信息，哈勃常数的实际确定就相对简单了：速度和距离由方程 v = H0d 相关，其中 v 是速度，d 是距离，H0 是哈勃常数。
如果我们对大量遥远天体进行此测量，我们可以越来越精确地确定哈勃常数的值。当然，为了做到这一点，测量结果的准确至关重要。我们关于遥远天体的大部分信息来自哈勃空间望远镜，它花费了几十年时间积累数据，而詹姆斯·韦伯空间望远镜的发射提供了一个 宝贵的机会来交叉核对这些数据。
它还为研究开辟了新的可能性，正如该论文的首席作者、因其在哈勃张力方面的研究而获得 2011 年诺贝尔物理学奖的 Adam Riess 所解释的那样：“JWST 在近红外波段具有更好的分辨率和灵敏度。哈勃在蓝波段表现更好。哈勃最大的优势是它已经在太空中存在更长时间，因此拥有更多数据，[但]一旦 JWST 积累了足够的数据，它可能会超越哈勃——或者它们可以联合起来研究 [哈勃] 张力。”
就目前而言，JWST 的结果与现有数据几乎完美吻合，提供了 更多强有力的证据 表明问题不在于我们测量的准确性。在这种情况下，Riess 说，问题可能出在理论上。“找不到测量中的缺陷，”他说，“使得模型中存在缺陷的可能性越来越大。”
什么是 ΛCDM 模型，为什么它会预测一个不同的哈勃常数？
顾名思义，ΛCDM 模型基于两个基本概念：宇宙学常数（用希腊字母“Λ”表示）和冷暗物质的存在。宇宙学常数表示空间本身的内在能量——目前估计占宇宙能量的 约 68% 的神秘“暗能量”。与此同时，“冷暗物质”代表了我们对同样难以捉摸的暗物质的最佳理解，它占宇宙能量的 另外 27%。（由恒星、行星和人类组成的普通物质只占可怜的 5%。）
暗能量和暗物质的概念并非随意——暗物质的存在可以从它对星系旋转的影响中推断出来，而暗能量是宇宙持续膨胀所必需的。ΛCDM 模型中的这些概念反映了这些事实，并且还与我们对宇宙微波背景（大爆炸的剩余辐射）的观测相关。
Riess 说：“基本上，ΛCDM 预测了宇宙大爆炸后物质/温度涨落的物理尺寸。CMB 用于测量这些涨落的角度大小，比较两者可以校准哈勃常数。”
然而，哈勃张力的持续存在显然表明有些事情不对。Riess 或 Li 是否怀疑问题的根源可能在哪里？“暗物质领域中的某些东西，”Riess 说。“[要么] 有趣的暗能量，要么有趣的暗物质。”
Li 同意，并补充说他怀疑是由于我们对前者不完善的理解可能是哈勃张力的根源：“对于暗物质本身，我们知道它的存在，并且有可以用来预测星系行为——旋转等等——的模型。但是对于暗能量，那里有太多的可能性，没有一个精确的替代方案能够完全吻合……我们对暗能量知之甚少，而且我们仍在发现和学习很多东西。”
