兩種完全不同的“稱量”宇宙的方式產生了不同的結果。如果更精確的測量未能解決這種差異，物理學家可能不得不修改宇宙學的標準模型，即我們對宇宙的最佳描述。
德國波鴻魯爾大學的天文學家 Hendrik Hildebrandt 說：“如果這真的是標準模型崩潰的先兆，那將是潛在的革命性發現。”
過去幾年，對於標準模型的正確性，另外兩項獨立的哈勃常數（即宇宙今天的膨脹速度）計算也提出了類似的擔憂。這兩項測量結果也存在分歧，從而產生了所謂的哈勃張力。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。 透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的有影響力的故事的未來。
新的差異——稱為 sigma-eight 張力——涉及測量宇宙中物質的密度以及物質聚集的程度，而不是均勻分佈的程度。結果被概括在一個稱為 sigma-eight 的引數中。為了計算 sigma-eight，Hildebrandt 和他的同事們求助於一種稱為弱引力透鏡效應的現象，在這種效應中，來自遙遠星系的光線會因星系與地球之間物質的引力而略微向我們的望遠鏡彎曲。
由此產生的畸變非常小，幾乎不會改變單個星系的形狀。但是，如果您取天空一塊區域中數萬個星系形狀的平均值，就會顯現出弱透鏡效應的訊號。假設星系相對於地球應該是隨機定向的，那麼它們的平均形狀應該接近圓形——如果沒有弱透鏡效應的話。但由於這種效應帶來的輕微畸變，平均形狀反而偏向橢圓形。
天文學家利用這種訊號來估計沿著通往天空大片區域中各個富星系區域的視線方向上，介入物質（包括普通物質和暗物質）的數量和分佈。換句話說，他們設法測量了物質的宇宙密度。
但是，要精確地做到這一點，還需要另一條資訊：每個被研究星系的距離。通常，天文學家透過找到星系的光譜紅移來計算到另一個星系的距離——紅移量是指星系的光向光譜紅色側的較長波長移動的程度。紅移越大，物體就越遠。
然而，在處理數百萬個星系時，測量單個光譜紅移的效率極低。因此，Hildebrandt 的團隊轉向了稱為光度紅移的方法，該方法涉及在不同的波長（跨越可見光和近紅外範圍）拍攝同一片天空的多個影像。研究人員使用這些影像來估計每個星系的光度紅移。“它們不如傳統的光譜紅移那麼好，”Hildebrandt 說。“但就望遠鏡時間而言，它們的效率要高得多。”
為了進行完整的分析，該團隊使用了天空數百平方度的區域（滿月大約半度寬）的高解析度影像，這些影像分佈在九個波段——四個可見光波段和五個近紅外波段。這些對約 1500 萬個星系的觀測是由歐洲南方天文臺的 千度巡天 (KiDS) 和 VISTA 千度紅外星系巡天 (VIKING) 使用 兩臺小型望遠鏡 在該組織的智利帕拉納爾天文臺進行的。
VIKING 資料透過提供同一片天空區域在近紅外波長下的多次觀測，增強了 KiDS 資料集。星系的距離越大，它遠離我們的速度就越快。這導致更多星系的光被紅移到近紅外範圍，因此僅依靠可見光觀測是不夠的。紅外測量捕獲了來自此類星系的大量光線，從而可以更好地估計它們的光度紅移。
為了確保光度紅移儘可能準確，這些觀測根據使用帕拉納爾更大型的 8 米甚大望遠鏡和夏威夷莫納克亞的 10 米凱克望遠鏡對少量相同星系進行的光譜紅移測量進行了校準。
天體物理學家和諾貝爾獎獲得者 約翰·霍普金斯大學的亞當·里斯 贊同 KiDS 研究人員的努力。“他們的最新結果使用了紅外資料，這可能更好地追蹤了透鏡的質量並獲得了可靠的光度紅移，”他說。
天文學家使用覆蓋約 350 平方度天空的組合資料，估計了 sigma-eight。他們發現的值與使用歐洲航天局普朗克衛星對宇宙微波背景 (CMB) 的觀測計算出的 sigma-eight 值相沖突——宇宙微波背景是宇宙中最早可觀測到的光，大約在大爆炸後 38 萬年發射出來。普朗克繪製了 CMB 的溫度和偏振從天空中一個點到另一個點的變化圖。宇宙學家可以利用該圖來計算早期宇宙的 sigma-eight 值。使用宇宙學的標準模型（該模型認為宇宙由約 5% 的普通物質、27% 的暗物質和 68% 的暗能量組成），他們可以推斷超過 130 億年的宇宙演化，從而估計出當今的 sigma-eight 值。
張力由此產生。Hildebrandt 的弱透鏡研究估計 sigma-eight 約為 0.74，而普朗克資料提供的值約為 0.81。“這種[張力]是統計波動的可能性大約為 1% 左右，”Hildebrandt 說。統計波動是資料中的隨機噪聲，可以模仿實際訊號，並且可能會隨著更多資料的出現而消失。“這並不是什麼讓人完全失眠的事情。”
至少目前還不是。也有可能在一個或兩個團隊的計算中潛伏著系統誤差。在研究人員確定任何此類錯誤後，這種差異可能會消失。
或者可能不會消失，哈勃張力的情況就是如此。隨著天文測量的精度越來越高，哈勃張力的統計顯著性 只增不減，讓不少焦慮的理論家夜不能寐。“我們的 sigma-eight 差異可能會發生非常相似的情況，”Hildebrandt 說。“我們不知道。”
里斯是使用附近宇宙中超新星的測量值估計哈勃常數的團隊負責人之一，他將 sigma-eight 張力比作“哈勃張力的弟弟或妹妹”。這種差異現在被認為是具有統計學意義的，偶然發生的機率不到 350 萬分之一。sigma-eight 張力偶然發生的機率為百分之一，與幾年前的哈勃張力所處的水平相當。“因此，[它] 不如哈勃張力那麼顯著，但值得關注，以便了解是否可能存在某種聯絡，”里斯說。
如果 sigma-eight 張力上升到與哈勃張力相同的統計相關性水平，那麼重新評估宇宙學標準模型的壓力可能會變得巨大到無法忽視。屆時，宇宙學家可能不得不求助於新的物理學來使普朗克估計值與當今宇宙引數的直接測量值相符。“那將是令人興奮的替代方案，”Hildebrandt 說。
對標準模型進行“新物理學”修正可能涉及改變暗能量或暗物質（或兩者兼而有之）的數量和性質，以及調整它們彼此之間以及與普通物質之間的相互作用方式，以及其他更奇特的修改。“一些旨在調整宇宙學模型以解決哈勃常數張力的理論解決方案使這種[sigma-eight 張力]變得更糟。有些則使其變得更好，”里斯說。
Hildebrandt 同意目前還沒有明顯的解決方案。“如果有一個引人注目的模型，也許人們會蜂擁而至，”他說。“但目前，我認為沒有。真正取決於我們觀測者來提高[sigma-eight 張力]的顯著性或證偽它。”