NASA的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡完成了近30年的馬拉松，校準(zhǔn)了40多個(gè)時(shí)空“里程碑”，幫助科學(xué)家準(zhǔn)確測(cè)量宇宙的膨脹速度——這是一項(xiàng)曲折的探索。
這組來(lái)自 NASA 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的 36 張圖像顯示了這些特征星系，它們是造父變星和超新星的宿主。 這兩種天體現(xiàn)象都是天文學(xué)家用來(lái)確定天文距離的重要工具，并被用來(lái)改進(jìn)我們對(duì)哈勃常數(shù)（宇宙膨脹率）的測(cè)量。
這張照片中顯示的星系（從頂行、左到底行、右）是：NGC 7541、NGC 3021、NGC 5643、NGC 3254、NGC 3147、NGC 105、NGC 2608、NGC 3583、NGC 3147、Mrk 1337、 NGC 5861, NGC 2525, NGC 1015, UGC 9391, NGC 691, NGC 7678, NGC 2442, NGC 5468, NGC 5917, NGC 4639, NGC 3972, , NGC 5584, M106, NGC 7250, NGC 337 0,NGC C 5728、NGC 4424、NGC 1559、NGC 3982、NGC 1448、NGC 4680、M101、NGC 1365、NGC 7329 和 NGC 3447。
圖片來(lái)源：NASA、ESA、Adam G. Riess（STScI、JHU）
天文學(xué)家埃德溫·哈勃 (Edwin ) 和喬治·勒馬蒂 ( ) 在 20 年代開(kāi)始研究宇宙的膨脹率。 1998年，這導(dǎo)致了“暗能量”的發(fā)現(xiàn)，這是一種加速宇宙膨脹的神秘排斥力。 近年來(lái)，借助哈勃和其他望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：當(dāng)?shù)赜钪鏈y(cè)量的膨脹率與大爆炸后的獨(dú)立觀測(cè)之間存在差異，預(yù)測(cè)了不同的膨脹值。
造成這種差異的原因仍然是個(gè)謎。 但哈勃的數(shù)據(jù)，其中包括各種充當(dāng)距離標(biāo)記的宇宙物體，支持了這樣一種觀點(diǎn)，即正在發(fā)生一些奇怪的事情，可能涉及全新的物理學(xué)。
馬里蘭州巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所和約翰·霍普金斯大學(xué)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者亞當(dāng)·里斯說(shuō)：“通過(guò)望遠(yuǎn)鏡和宇宙里程標(biāo)記的黃金標(biāo)準(zhǔn)，可以最準(zhǔn)確地測(cè)量宇宙的膨脹率。”
Reese 領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)研究宇宙膨脹率的科學(xué)合作項(xiàng)目，稱(chēng)為 SH0ES，是超新星、H0、暗能量狀態(tài)方程的縮寫(xiě)。 “這就是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所做的事情，使用我們所知道的最好的技術(shù)。這可能是哈勃的杰作，因?yàn)楣€有 30 年的時(shí)間才能將樣本量增加一倍。”
里斯團(tuán)隊(duì)的論文將發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》的特別焦點(diǎn)期刊上，完成了對(duì)哈勃常數(shù)最大且可能是最后一次的重大更新。 新結(jié)果是之前宇宙距離標(biāo)記樣本的兩倍多。 他的團(tuán)隊(duì)還重新分析了之前的所有數(shù)據(jù)，整個(gè)數(shù)據(jù)集現(xiàn)在包括 1000 多個(gè)哈勃軌道。
20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)宇航局 (NASA) 構(gòu)想了大型太空望遠(yuǎn)鏡。 花費(fèi)巨額資金和非凡技術(shù)努力的主要原因之一是能夠解析造父變星（）。 也就是說(shuō)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，在我們的銀河系和外星系中觀察到的周期性變亮和變暗的恒星。 自 1912 年天文學(xué)家亨麗埃塔·斯旺-萊維特 ( Swann-) 發(fā)現(xiàn)造父變星以來(lái)，造父變星一直是宇宙英里標(biāo)記的黃金標(biāo)準(zhǔn)。 為了計(jì)算更遠(yuǎn)的距離，天文學(xué)家使用一種稱(chēng)為 Ia 型超新星的爆炸恒星。
當(dāng) NASA 在 20 世紀(jì) 70 年代構(gòu)想建造一臺(tái)大型太空望遠(yuǎn)鏡時(shí)，其花費(fèi)和非凡技術(shù)努力的主要理由之一是能夠解析造父變星，即天空中周期性變亮和變暗的恒星。 在我們的銀河系和外星系中可見(jiàn)。 自 1912 年天文學(xué)家亨麗埃塔·斯旺-萊維特 ( Swann-) 發(fā)現(xiàn)造父變星以來(lái)，造父變星一直是宇宙英里標(biāo)記的黃金標(biāo)準(zhǔn)。 為了計(jì)算更遠(yuǎn)的距離，天文學(xué)家使用一種稱(chēng)為 Ia 型超新星的爆炸恒星。
這些物體結(jié)合起來(lái)在整個(gè)宇宙中形成了一個(gè)“宇宙距離階梯”，這對(duì)于測(cè)量宇宙的膨脹率至關(guān)重要，被稱(chēng)為哈勃常數(shù)，以埃德溫·哈勃的名字命名。 這個(gè)值對(duì)于估計(jì)宇宙的年齡至關(guān)重要，并為我們對(duì)宇宙的理解提供了基本測(cè)試。
1990 年哈勃發(fā)射后，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)造父變星進(jìn)行了第一組觀測(cè)，以完善哈勃常數(shù)：溫迪·弗里德曼 (Wendy )、羅伯特·肯尼科特 ( )、杰里米·莫德 ( Maud) 和馬克·阿倫森 () 領(lǐng)導(dǎo)的 HST 關(guān)鍵項(xiàng)目，以及艾倫·桑德奇 (Alan ) 和他的合作者，他們使用造父變星作為里程碑標(biāo)記來(lái)改進(jìn)對(duì)附近星系的距離測(cè)量。 到本世紀(jì)初，研究團(tuán)隊(duì)宣布哈勃常數(shù)的精度達(dá)到10%哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，即72±8 km/MPa·s，“任務(wù)完成”。
2005年和2009年，哈勃望遠(yuǎn)鏡加入了功能強(qiáng)大的新相機(jī)，開(kāi)始了對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡的“第二代”持續(xù)研究，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始將數(shù)值精度提高到1%。 這是由 SH0ES 計(jì)劃發(fā)起的。 使用哈勃的幾個(gè)天文學(xué)家小組，包括 SH0ES，已經(jīng)將哈勃常數(shù)收斂到 73±1 km/MPa sec。 雖然使用其他方法來(lái)研究哈勃常數(shù)問(wèn)題，但不同的團(tuán)隊(duì)得出了接近相同的值。
SH0ES團(tuán)隊(duì)包括約翰·霍普金斯大學(xué)的長(zhǎng)期領(lǐng)導(dǎo)者袁文龍博士、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的Lucas 博士、STScI的 博士和杜克大學(xué)的Dan Si。 科利尼博士。 該項(xiàng)目旨在通過(guò)匹配從宇宙誕生之初遺留下來(lái)的宇宙微波背景輻射研究中推斷出的哈勃常數(shù)的準(zhǔn)確性來(lái)支撐宇宙。
ICREA和巴塞羅那大學(xué)ICC的宇宙學(xué)家Licia Vader博士在談到SH0ES團(tuán)隊(duì)的工作時(shí)表示：“哈勃常數(shù)是一個(gè)非常特殊的數(shù)字。它可以用來(lái)進(jìn)行從過(guò)去到現(xiàn)在的長(zhǎng)期分析。端到端測(cè)試，測(cè)試我們對(duì)宇宙的理解，需要大量細(xì)致的工作。”
該團(tuán)隊(duì)使用哈勃望遠(yuǎn)鏡測(cè)量了 42 個(gè)超新星里程碑標(biāo)記。 哈勃記錄了盡可能多的超新星來(lái)測(cè)量宇宙的膨脹，因?yàn)橛^察到它們以每年約 1 倍的速度爆炸。 “我們擁有哈勃在過(guò)去 40 年觀測(cè)到的所有超新星的完整樣本，”里斯說(shuō)。 “就像百老匯音樂(lè)劇《俄克拉荷馬》中歌曲《堪薩斯城》的歌詞一樣，哈勃“快點(diǎn)！”
奇怪的物理？
預(yù)計(jì)宇宙的膨脹速度比哈勃實(shí)際看到的要慢。 通過(guò)將宇宙標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型與歐洲航天局普朗克任務(wù)（該任務(wù)觀測(cè) 138 億年前留下的宇宙微波背景）的測(cè)量結(jié)果相結(jié)合，天文學(xué)家預(yù)測(cè)哈勃常數(shù)的較低值：67.5±0.5 km/MPa ·秒，而SH0ES團(tuán)隊(duì)的估計(jì)是73公里/兆帕·秒。
里斯表示，鑒于哈勃的樣本量很大，天文學(xué)家因彩票運(yùn)氣不好而出錯(cuò)的幾率只有百萬(wàn)分之一，這是物理學(xué)中嚴(yán)肅對(duì)待問(wèn)題的常見(jiàn)門(mén)檻。 這一發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了宇宙動(dòng)態(tài)演化的美麗而清晰的圖景。 天文學(xué)家無(wú)法解釋本地宇宙的膨脹率與原始宇宙之間的脫節(jié)，但答案可能涉及宇宙的其他物理現(xiàn)象。
對(duì)于像里斯這樣的宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些令人費(fèi)解的發(fā)現(xiàn)更加令人興奮。 三十年前，他們開(kāi)始測(cè)量哈勃常數(shù)來(lái)衡量宇宙，但現(xiàn)在它變得更加有趣。 里斯補(bǔ)充道：“實(shí)際上，我并不關(guān)心膨脹是什么，但我喜歡用它來(lái)理解宇宙。”
美國(guó)宇航局的新型韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將建立在哈勃望遠(yuǎn)鏡的能力之上，并以比哈勃望遠(yuǎn)鏡所能看到的更遠(yuǎn)的距離或更清晰的分辨率顯示這些宇宙里程碑標(biāo)記。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡是 NASA 和 ESA（歐洲航天局）之間的國(guó)際合作項(xiàng)目。 美國(guó)宇航局位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德太空飛行中心負(fù)責(zé)管理這架望遠(yuǎn)鏡。 位于馬里蘭州巴爾的摩的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（STScI）負(fù)責(zé)管理哈勃科學(xué)業(yè)務(wù)。 STScI 由位于華盛頓特區(qū)的天文學(xué)研究大學(xué)協(xié)會(huì)為 NASA 運(yùn)營(yíng)。
