宇宙的膨脹速度有多快？這取決於你問誰。將目光投向環繞我們周圍相對較近的恆星和星系，你將得到一個特定的數值，這個數值被稱為哈勃常數。但是，如果你觀察更遙遠的宇宙，你將得到一個略有不同的數值。這種差異，被稱為哈勃張力，雖然很小，但卻具有重大的影響。這種張力可能僅僅是由我們的測量缺陷造成的——或者它可能指向我們對宇宙結構理解的根本性差距。誠然，即使沒有任何張力，宇宙膨脹率也存在著深刻的謎團——即，它正在被暗能量加速，這是一種迄今為止無法解釋的力，我們幾乎一無所知。現在，一項新的哈勃常數測量，透過觀察一顆遙遠的爆炸恆星或超新星的映象影像，使情況變得更加複雜。
在今天發表在《科學》雜誌上的研究中，明尼蘇達大學的帕特里克·凱利和他的同事利用來自遙遠超新星 Refsdal 的時間延遲來測量哈勃常數。他們得出的膨脹率為每百萬秒差距 66.6 公里/秒 (km/s/Mpc)，或每 326 萬光年 66.6 公里/秒，不確定度為 7%。 (2017 年對該超新星的先前研究得出了類似的結果，但統計不確定性明顯更大。)
考慮到相關的不確定性，這個數字——66.6 公里/秒/百萬秒差距——可能與所謂的本星系群中其他基於超新星的測量結果不一致。這些測量結果往往會產生更高的哈勃常數值：約為 73 公里/秒/百萬秒差距。然而，66.6 公里/秒/百萬秒差距與來自“早期”宇宙中更遙遠來源的哈勃常數測量結果驚人地相似，後者得出的數值約為 67 公里/秒/百萬秒差距。“我們的測量結果與宇宙微波背景 [CMB] 的測量結果更吻合，”凱利說，宇宙微波背景本質上是宇宙大爆炸的殘餘熱量，來自宇宙剛剛超過 40 萬年火球時期。“儘管考慮到不確定性，它並沒有排除來自本星系群距離階梯的測量結果。”
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哈勃常數可以透過多種方式測量。對於本星系群，大多數方法依賴於各種標準燭光——某些型別的超新星和其他天體物理物體，它們具有已知的、幾乎不變的固有亮度，從而可以更容易地確定它們相對於我們的距離和運動。來自多種標準燭光的測量結果可以串聯起來，使天文學家能夠測量出更遠距離的哈勃常數，每個標準燭光都是所謂的“宇宙距離階梯”上的一個“階梯”。但是，宇宙距離階梯在真正遙遠的距離上開始搖搖欲墜。為了測量早期宇宙中普遍存在的哈勃常數，研究人員主要使用 CMB。穿過充滿早期宇宙的熾熱等離子體的聲波在 CMB 上留下了明顯的圖案，天文學家可以將其用作標準標尺來繪製宇宙隨後的膨脹。
1964 年，挪威天體物理學家休爾·雷夫斯達爾首次提出，超新星可以用來測量哈勃常數的另一種方法。如果一顆遙遠超新星的光在到達地球的途中，恰好經過一個巨大物體（例如星系團）的引力範圍，那麼光可能會被“引力透鏡”效應——即彎曲和偏轉，從而沿著多條發散路徑到達地球，有些路徑更長，有些路徑更短。最終結果將是一顆超新星在天空中略微偏移的位置多次出現，每次顯現之間的延遲對應於其光線傳播的總距離。將這些延遲與超新星遠離我們的速度（透過測量稱為紅移的屬性獲得）以及透鏡星系團的質量相結合，將提供哈勃常數的值。
2014 年 11 月，當時在加州大學伯克利分校的凱利和他的同事發現了第一個已知的此類事件——超新星 Refsdal，它發生在距地球約 140 億光年的地方。他們正確地預測了來自超新星的透鏡影像的到達，該影像在約 360 天后，於 2015 年底到達地球。現在，該團隊終於成功地使用 Refsdal 來測量宇宙的膨脹率。“這與以前所做的任何事情都不同，”凱利說。為了得出一個數值，該團隊分組工作，獨立評估盲法資料，最終確定了其意外結果，約為 66.6 公里/秒/百萬秒差距。
芝加哥大學的天文學家溫迪·弗裡德曼說，這個結果是“對我們哈勃常數知識的極好補充”，她專門研究宇宙膨脹率的研究，並且沒有參與這篇新論文。“它完全獨立於任何其他型別的方法。”
天文學家以前曾使用透鏡效應來測量宇宙的膨脹，但使用的是類星體——某些星系極其明亮的核心——而不是超新星。2017 年，一個名為 H0LiCOW 的團隊使用這種方法得出的數值約為 72 公里/秒/百萬秒差距。德國加興馬克斯·普朗克天體物理研究所的 H0LiCOW 負責人雪莉·須裕說，透鏡類星體在天空中“更豐富”，這使該方法具有一些優勢。但是，超新星顯示出更明顯的亮度變化，這意味著可以更精確地測量影像中的確切時間延遲，從而可能提供更高的精度。“你真的能看到這種劇烈的變化，”須裕說。
但是，雖然類星體可以發光數百萬年——對於我們來說基本上是永遠——但超新星的壽命很短，只能在幾周或幾個月內發光。“你必須能夠在早期找到它們，”須裕說。“如果你錯過了它，它們就消失了。”迄今為止，只知道少數幾個時間延遲超新星。最近的一個名為 H0pe 的超新星是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 今年早些時候發現的。因此，雖然 Refsdal 是第一個被用來測量宇宙膨脹率的此類事件，但它無疑不是最後一個。
如果凱利和他的團隊的數值站得住腳，這將表明我們可能需要調整我們對暗物質性質的最佳猜測——暗物質是一種神秘的、看不見的物質，似乎賦予星系和星系團大部分質量，從而調節引力透鏡效應。如果這是真的，凱利說，他們的結果“意味著我們的星系團中暗物質模型一定存在缺陷。”更新這些模型反過來可能會要求更改所謂的宇宙學標準模型，該模型假定某種相當惰性的“冷”暗物質和特定型別的暗能量共同作用，引導星系和星系團在宇宙時間中的生長和演化。
“我們尚不瞭解暗物質和暗能量是什麼，”弗裡德曼說。“在本星系群測量哈勃常數是直接檢驗該模型的一種方法。如果這表明標準模型中缺少一些基本的物理學知識，那將是非常令人興奮的。”
然而，並非所有人都確信即將發生如此巨大的宇宙學變革。杜克大學的丹尼爾·斯科尼克說，該結果的 7% 不確定性仍然足夠大，可以在邊際上將其置於其他本星系群結果的範圍內。“如果他們的不確定性變得小得多，那麼每個人現在都應該認真反思，”斯科尼克說，他沒有參與這項研究。“這將非常令人困惑，因為所有本星系群的測量結果似乎都認同更高的數值。”
為了確定，需要研究更多的時間延遲超新星，並且需要確定它們的哈勃常數值。此類結果可能會更快出現：預計 JWST 將在未來幾個月內對 H0pe 進行測量，而即將於明年啟動的智利薇拉·魯賓天文臺應該會大大增加已知時間延遲超新星的數量。“我們將發現更多這些，”凱利說。“如果他們都傾向於較低的哈勃常數值，那將加劇分歧。希望我們能找出問題所在。”
編者注 (2023 年 5 月 11 日)：本文在釋出後經過編輯，以更好地闡明帕特里克·凱利關於他的團隊的測量結果與宇宙微波背景更吻合的評論。正文此前已於 5 月 11 日修訂，以更正每百萬秒差距 66.6 公里/秒的結果的不確定性，並更好地闡明與先前測量結果的潛在衝突。