在 2021 年聖誕節的早晨，天文學家們注視著他們全新的、最偉大的工具成功發射升空進入太空。現在，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 已完全展開，並已抵達其深空目的地，一個距離地球 150 萬公里的靜謐之地。
馬西莫·斯蒂亞韋利 負責 JWST 使命辦公室，該辦公室隸屬於 研究所，該研究所負責分配望遠鏡的研究時間。斯蒂亞韋利表示，“科學的每個領域都包含在”他的團隊批准的提案中，從尋找潛在宜居的系外行星到研究最早期的恆星。 然而，他尤其希望 JWST 能夠幫助解決現代天文學中最大的爭議之一：關於宇宙膨脹速度的爭論。
加州大學洛杉磯分校的天體物理學家 托馬索·特魯 說：“如果你試圖測量當前的膨脹速度，嗯，人們會使用各種技術，他們往往會得到一個特定的數字。結果證明，這些數字並不匹配。”
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宇宙膨脹率（稱為哈勃常數）的測量值目前聚集在兩個數字附近：67 和 73。 每個數字都是同一事物的表達——宇宙膨脹的速度，以每秒公里為單位，每百萬秒差距（約 326 萬光年）的空間。 儘管看起來微小，但這些數字之間的差異與其他宇宙學測量中存在的高精度一致性相比是巨大的。 簡而言之，有些事情不太對勁。
研究人員不確定如何解釋這種差異，他們稱之為 哈勃張力。 這可能只是測量哈勃常數的不同方式導致的一個誤差。 否則，這種張力可能會給目前我們對物理學的理解帶來麻煩，迫使理論家們重新審視（甚至可能拋棄）他們最珍視的一些模型。
約翰·霍普金斯大學的天體物理學家 亞當·里斯 說：“測量膨脹率的探索可以追溯到大約 100 年前。” 參與這項探索的科學家分為兩大陣營。
第一個陣營收集來自非常早期的宇宙的資料。 這些研究人員依賴於宇宙微波背景，這是大爆炸後大約 40 萬年的殘留輻射。 透過從宇宙微波背景中獲取測量值，並使用我們最好的物理模型將其外推到今天，這個陣營的天文學家可以得出今天宇宙膨脹率的估計值。 他們的計算 表明哈勃常數約為 67。
但里斯補充說，JWST 不會改善此類測量。 來自早期宇宙的微波的波長太長，JWST（專注於紅外光）無法探測到。 相反，JWST 有潛力改進另一個陣營（里斯是其中的傑出成員）的結果：本地測量。
“本地”是一個相對術語。 在這裡，它指的是哈勃常數的測量，這些測量取決於計算到恆星和星系的距離，這些恆星和星系可能“只有”數百萬光年遠。 特魯說：“測量距離是測量哈勃常數所必需的，因為哈勃常數是距離隨時間變化的方式。”
天文學家已經找到了一些方法來測量這種天體距離。 它們中的大多數依賴於“標準燭光”，即已知亮度的天文物體。 透過比較此類物體的實際固有亮度與其透過望遠鏡的視亮度，觀測者可以可靠地確定其與地球的距離。
芝加哥大學的天文學家 溫迪·弗裡德曼 使用某一類紅巨星作為她首選的標準燭光。 弗裡德曼解釋說，“（這些恆星的）物理特性導致了這種標準光度”，這使它們成為完美距離指示器。 弗裡德曼的團隊使用哈勃太空望遠鏡觀測這些紅巨星，在 2019 年得出了 哈勃常數的估計值 ：約為 70。
這在本地估計中處於低端。（事實上，它令人惱火地介於每個陣營所接受的標準值之間。）里斯的工作使用 超新星和造父變星 而不是紅巨星作為標準燭光，他指出，大多數本地研究產生的哈勃常數值都略高——有些高達 75，平均約為 73。
這比早期宇宙陣營的測量範圍要大得多。 同樣，本地研究往往比使用早期宇宙資料的研究具有更大的“誤差條”（或不確定性）。
這就是 JWST 可以發揮作用的地方。 透過在紅外光譜中進行觀測，它將能夠直接穿透太空塵埃的惱人云層，這些雲層常常干擾本地天文學家的測量。 哈勃太空望遠鏡——之前本地天文學家的首選工具——紅外能力要 modest 得多； 它的紅外測量以降低影像質量為代價。 正如里斯解釋的那樣，JWST 可以兼顧兩者：在紅外線中觀測並保持高解析度成像。
更清晰、無塵的影像：這就是 JWST 的承諾。
JWST 是一項如此巨大的技術進步，以至於許多天文學家並沒有改變他們的方法，而是計劃仔細複製他們之前的研究，以檢視結果是否會發生變化。 里斯和弗裡德曼都獲得了 JWST 的研究時間來做到這一點。
他們的結果是否會改變是不確定的。 來自 JWST 的資料可能會導致本地研究聚集在哈勃常數的估計值附近，該估計值與來自早期宇宙陣營的估計值一樣低。 但這似乎非常不可能：里斯指出，幾乎沒有本地研究產生如此低的結果，正如沒有早期宇宙研究產生高達 73 的結果一樣。
那麼，如果本地研究再次聚集在 73 附近，但這次精度更高，那意味著什麼呢？ 特魯認為，這將意味著哈勃張力是一個真正的差異，而不僅僅是研究誤差的結果。
如果是這樣，特魯補充說，這可能表明我們對物理學的理解中存在一些根本性的缺失。 因為早期宇宙研究依賴於物理模型將其原始資料外推到今天，所以缺失的物理學可能是這些研究產生低至 67 的數字的原因。
什麼樣的缺失物理學？ “可能還有另一種中微子，”里斯說。 “可能是早期的暗能量。 可能是衰變的暗物質。 可能是原始磁場。 所有這些 已被提出 作為有助於減輕或解釋這種情況的事物。” 但里斯指出，除了它們可能有助於解釋哈勃張力之外，這些都沒有“強有力的第二條證據”。
同樣，弗裡德曼指出，這些想法中的大多數最終都會“破壞”物理學的其他公認部分。 弗裡德曼說：“事實證明，這真的很難解決——但這並不是說在某個時候沒有人會想出一個絕妙的主意。”
物理學中可能存在漏洞。 不能保證 JWST 會幫助我們弄清楚如何填補它。 但透過更深入地瞭解哈勃張力，JWST 至少可以幫助確認這個漏洞確實存在。