最初對天文測量的辯論正處於演變成一場全面危機的邊緣，這場危機將影響我們理解宇宙的方式。兩組資料集——一組來自近 140 億年前的新生宇宙，另一組來自我們今天看到的恆星——對於一個看似簡單的問題給出了矛盾的答案：宇宙的膨脹速度有多快？
答案之間的差距僅為 9%，但這遠遠超過了每組資料集估計的不確定性。差距雙方的研究人員稱之為“張力”，並堅持各自觀測的有效性。這種張力是科學夢想——和噩夢的素材。它暗示在某個地方，以某種方式，我們對自然規律的理解可能存在根本性的缺陷——對物理學，甚至可能對萬物的命運產生深遠的影響。
約翰·霍普金斯大學和太空望遠鏡科學研究所的天體物理學家亞當·里斯說：“如果這種張力不是僥倖，也不是測量錯誤，那就意味著我們的模型中遺漏了一些東西。” “對早期宇宙進行測量，然後將其與今天的宇宙進行比較，是對我們構建的關於宇宙的整個故事的端到端測試。問題是，如果有什麼東西肯定不符合，我們不知道故事究竟在哪裡分歧。”
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宇宙膨脹率問題的答案被稱為哈勃常數，以天文學家埃德溫·哈勃的名字命名，他在 1920 年代發現宇宙正在膨脹。星系以與其距離成正比的速度遠離我們，距離越遠速度越快。哈勃常數編纂了宇宙距離和速度之間的這種關係。但這樣做揭示了更多，使其不僅引起天文學家的興趣，也引起宇宙學家和物理學家的興趣。因為該常數代表了宇宙漫長曆史中任何特定時刻的膨脹率，所以隨著時間的推移測量其值可以提供宇宙如何在漫長歲月中演化的廣闊視野，為研究人員提供有關我們宇宙起源和未來的關鍵線索。彷彿受到虛空的召喚，數十億個向外奔湧的星系也感受到了後視鏡中一切事物的集體引力，試圖將它們拉回來。哈勃常數反映了宇宙中所有物質的總和以及作用於它的力——權衡引力或虛空是否將最終贏得這場星系際拔河比賽。
宇宙的內容物最終可能會逆轉膨脹——這種情況被稱為“大坍縮”，其中引力將一切拉回到一個無限熱和稠密的點，就像誕生大爆炸的點一樣。或者宇宙可能會穩定地無限膨脹，在“大凍結”中變得越來越冷和無精打采，大凍結提供無限的空間和時間——但最終幾乎無事可做。或者，宇宙膨脹可能會急劇加速，變得如此難以駕馭，以至於擺脫了所有的約束。這種加速膨脹的宇宙可能會撕裂星系，然後是恆星，然後是行星、原子和亞原子粒子，直到現實本身的結構在“大撕裂”中裂開，幾乎不留下任何東西。宇宙會以火、冰還是空虛結束？哈勃常數知道答案——但在張力解決之前，答案尚不清楚。
哈勃太空望遠鏡拍攝的造父變星 RS Puppis 的影像。天文學家使用造父變星和超新星來測量宇宙的膨脹率。圖片來源：NASA、ESA 和哈勃遺產團隊
超新星觀測
芝加哥大學的天體物理學家溫迪·弗裡德曼說：“這是最重要的宇宙學引數。”她一生都在追求哈勃常數。“它是錨，因為它對最大數量的事物產生最大的影響。這是一項真正重要的測量。” 在 1990 年代和 2000 年代初期，弗裡德曼領導一個團隊使用哈勃太空望遠鏡提供了當時常數的最佳測量結果。此後其他人一直在改進它們。
在過去的十年中，里斯一直處於這項努力的最前沿，領導一個天文學家團隊，他們正在使用地面和太空望遠鏡進一步改進哈勃常數的估計，在一個名為“SH0ES”（別問為什麼）的專案中。
SH0ES 的首選目標是稱為 Ia 型超新星的爆炸恆星。這些爆炸恆星在整個宇宙中以幾乎相同的光度閃爍，使它們成為衡量其他星系距離的理想“標準燭光”。通過了解 Ia 型超新星的實際亮度與其在望遠鏡中顯示的亮度相比，科學家可以計算出地球與遙遠的恆星災難之間有多少空間。他們還可以測量每個超新星的紅移——超新星和地球之間空間膨脹拉伸超新星光線到更長、更紅波長的方式。然後，他們透過比較散佈在宇宙各處的許多超新星的紅移和亮度來估計膨脹率。然而，為了校準他們的超新星測量，SH0ES 團隊還使用了另一種標準燭光：造父變星，它根據其光度週期性地脈動，並在銀河系附近提供卓越的距離測量。
超新星和造父變星資料的配對使 SH0ES 團隊能夠獲得越來越精確的哈勃常數估計值，將測量的誤差幅度從 2009 年的 5% 降低到 2016 年的僅 2.4%。他們的最新成果，使用來自歐洲航天局 (ESA) Gaia 航天器的新的和改進的造父變星距離資料進行校準，將不確定性降低至 2.2%。多年來，SH0ES 團隊對哈勃常數的計算結果一直非常一致：根據超新星和造父變星，宇宙的膨脹速度為每百萬秒差距 73.5 公里/秒（約 330 萬光年）。也就是說，對於我們與另一個星系之間每 330 萬光年的空間，後者將以每秒 73.5 公里的速度更快地遠離我們。
張力來自另一個 ESA 航天器——普朗克進行的獨立測量。從 2009 年到 2013 年，普朗克建立了宇宙微波背景 (CMB) 的空前詳細的地圖，這是宇宙只有 38 萬年曆史時大爆炸原始火球的餘輝。普朗克團隊首先對應該在充滿早期宇宙的帶電粒子湯中盪漾的聲音波的大小和運動進行建模，從而從那個逝去的時代推匯出哈勃常數。接下來，他們將這些估計值與印在 CMB 上的實際回波進行了比較。這種比較提供了 CMB 的距離及其特徵的標量尺寸，使普朗克團隊能夠將原始宇宙的膨脹率定為每百萬秒差距 67.3 公里/秒。該估計值及其僅為 1% 的顯著誤差幅度，關鍵取決於成熟的“宇宙學標準模型”——一種笨拙的理論結構，它有力地預測了 CMB 和當代宇宙的許多觀測到的特徵。
里斯說：“這就像兒科醫生測量和計算出您的孩子最終會長到六英尺高，但您的孩子最終長到了六英尺半。” “這意味著還有其他事情正在發生——也許您的孩子經歷了猛長或注射了激素。在這種情況下，是我們最好的宇宙學模型的物理學提供了生長圖表。但是，誰說我們實際上是對的呢？”
里斯說，現在通過了蓋亞的造父變星距離測量的又一次測試，SH0ES 哈勃常數測量結果是統計僥倖的機率僅為七千分之一。物理學家通常認為當測量結果達到百萬分之一統計可能性範圍時具有顯著意義；目前，SH0ES 的結果仍然達不到那個崇高的標準，但正在越來越接近。與此同時，普朗克團隊也沒有退讓；團隊成員一直表示，其結果的有效性實際上是不可動搖的。
普朗克航天器繪製的宇宙微波背景 (CMB) 變化的全天圖，這是宇宙中最古老的可觀測光。從普朗克資料推匯出的宇宙膨脹率估計值與來自超新星和其他來源的估計值相沖突。圖片來源：ESA 和普朗克合作組織
超越標準模型
這並非宇宙膨脹第一次讓科學家感到困惑。在 1920 年代，膨脹本身讓大多數研究人員感到震驚，尤其是阿爾伯特·愛因斯坦。與他偏愛的靜態宇宙相反，愛因斯坦的廣義相對論預測宇宙將不可避免地膨脹或坍縮。為了“解決”這個問題，他在他的計算中添加了一個新項：一種瀰漫在所有空間中的反重力，可以起到維持宇宙平衡的作用。愛因斯坦最初將其稱為“宇宙學常數”——但後來據稱在哈勃發現之後稱其為他的“最大錯誤”。愛因斯坦最初的直覺顯然在 1990 年代開始得到證實，當時里斯和其他天文學家發現遙遠的 Ia 型超新星比預期更暗（因此更遠）。一種神秘的“暗能量”似乎正在導致宇宙的膨脹加速；許多物理學家推測，暗能量和宇宙學常數可能是一回事。來自 CMB 和其他來源的測量迅速證實了暗能量的存在（如果不是其確切性質），導致里斯和其他兩人獲得了 2011 年諾貝爾物理學獎。
由於它的影響將均勻分佈在整個空間中，隨著空間本身的膨脹，宇宙學常數將變得更加強大，加速加速率以產生大凍結或大撕裂作為宇宙的最終命運。但似乎這種提升仍然無法達到 SH0ES 團隊和其他團隊今天在宇宙中觀察到的哈勃常數。因此，里斯推測，目前的張力可能是由於暗能量根本不是愛因斯坦的宇宙學常數造成的（儘管他趕緊補充說，這種情景沒有得到 CMB 和現在之間銀河系中期觀測的有力支援）。如果暗能量不是愛因斯坦的宇宙學常數，它可能會潛在地推動更快的加速，從而緩解張力。從理論上講，這種非標準形式的暗能量也可能在未來深刻地削弱甚至逆轉其影響，從而為宇宙仍然可能經歷大坍縮的可能性敞開大門。
對於張力還存在其他推測性的解釋，每一種解釋都是研究人員必須遵循的迷宮中的另一條路徑，以決定宇宙的最終命運。它們包括尚未發現的快速移動的亞原子粒子種類、隱藏的“額外”維度的影響，或與暗物質的各種相互作用——僅舉幾例。可能是超出標準模型的多種型別的物理學在宇宙兩端哈勃常數估計值之間明顯的張力中發揮作用。
誤差陰謀？
再說一遍，一些懷疑論者說，最可能的解釋僅僅是在測量中犯了錯誤。特別是，普朗克團隊的官方說法一直是，校準造父變星和 Ia 型超新星的誤差可能是造成張力的原因。
加州大學戴維斯分校的普朗克團隊成員勞埃德·諾克斯說：“我們不知道答案是什麼，但實際上沒有任何理論解釋讓我們覺得非常合理。” “僅代表我自己而言，如果我必須在任何事情上下注，我仍然會猜測張力是直接測量哈勃常數[在現代宇宙中]的系統誤差。” 例如，諾克斯說，遙遠星系中背景恆星的眩光會汙染造父變星的亮度測量，破壞天文學家搖搖欲墜的宇宙距離階梯的底部，並丟擲更大距離的依賴性測量。相比之下，諾克斯和其他人指出，普朗克團隊對哈勃常數的推導與多條極其可靠的獨立證據線相符——例如星系的大規模聚集以及大爆炸後最初幾分鐘內產生的光元素的觀測比率。諾克斯說，普朗克的結果最近也透過使用南極望遠鏡進行的後續 CMB 研究得到了驗證。
里斯認為，SH0ES 和其他團隊一次又一次進行的測試表明，背景恆星不是造父變星測量中誤差的重要來源。此外，SH0ES 的結果帶有其自身的大量佐證資料：與超新星和造父變星分開，今天宇宙中哈勃常數的其他測量值也接近 SH0ES 發現的 73.5。2017 年，一個名為 H0LiCOW（再次，別問為什麼）的國際團隊將哈勃常數定為每百萬秒差距 72 公里/秒。他們透過測量來自遙遠星系的光線的延遲到達時間來實現這一點，因為光線的各種空間路徑被更靠近地球的巨大星系扭曲。
這張蒙太奇照片顯示了來自五個背景星系的光線被更靠近地球的巨大前景星系扭曲。這種扭曲導致背景星系顯示為多個影像。H0LiCOW 合作組織的科學家研究了這些物體，以獨立測量宇宙的膨脹，這與早期基於超新星和造父變星的估計值一致。圖片來源：NASA、ESA、哈勃和 Suyu 等
加州大學洛杉磯分校的天體物理學家、H0LiCOW 團隊成員托馬索·特魯說，該結果完全基於基本的幾何學和愛因斯坦的廣義相對論——因此完全獨立於可能玷汙 SH0ES 或普朗克測量的因素。“結合 SH0ES 的結果，這增加了張力的證據，”特魯說。
綜合來看，里斯認為支援他的結果的證據幾乎是壓倒性的。他說，如果它是錯誤的，就需要“誤差陰謀——多個誤差，每種方法一個誤差，它們是獨立的，但由於某種惡意，所有誤差的大小都相同，方向也相同。正如愛因斯坦所說，‘上帝是微妙的，但他不是惡意的。’”
普林斯頓大學和平鐵研究所的天體物理學家大衛·斯珀格爾認為，現在是雙方團隊承認他們資料中的不確定性可能比以前認為的更大的時候了。“從歷史上看，天文學家和宇宙學家都低估了他們的誤差；我認為這裡的測量也是如此，”他說。
解決方案可能即將到來。斯珀格爾是 NASA 的廣域紅外巡天望遠鏡 (WFIRST) 的首席科學家之一，該太空天文臺計劃於 2020 年代發射，其主要目標是研究暗能量。ESA 正在計劃一項類似的任務 Euclid，它將補充 WFIRST 的研究。這些任務可以透過闡明暗能量的行為是否像愛因斯坦的宇宙學常數，或者是否是完全不同的東西，來幫助解決張力。NASA 的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡計劃最早於 2020 年發射，也可能提供大量新的觀測結果來約束常數，2020 年及以後釋出的蓋亞資料也將如此。大約在同一時間，其他新技術也可能成熟。這些技術將依賴於先前無法訪問的恆星種群的調查，甚至依賴於對大量碰撞中子星的引力波的觀測，以獲得哈勃常數的其他獨立測量值。
然而，目前，張力依然存在——它是我們對宇宙理解加速有多快以及我們還有多遠路要走的形象和字面象徵。