我们早已知道宇宙正在膨胀。1929年,埃德温·哈勃基于维斯托·斯利弗、米尔顿·胡玛森和亨丽埃塔·勒维特的观测,发表了第一篇证实宇宙膨胀的论文。因此,宇宙膨胀的速率被称为哈勃常数,或H0。通过这个参数,我们可以计算宇宙自大爆炸以来的年龄,所以了解H0的值对我们理解现代宇宙学至关重要。
早期,测量的哈勃参数值差异很大。哈勃最初的值约为500(公里/秒)/兆帕秒。到了20世纪60年代,这个值稳定在50到90(公里/秒)/兆帕秒之间,这个值在20世纪的大部分时间里保持不变。由于我们计算它的方法有限,很难得到更精确的数值。所有这些都是基于宇宙距离阶梯,它使用一系列观测来计算越来越大的宇宙距离,每种方法都建立在前一种方法的基础上。但在过去几十年里,我们在这方面做得相当好,哈勃值似乎稳定在70(公里/秒)/兆帕秒左右。之后,事情开始变得……有问题。
随着WMAP和普朗克等卫星的发射,我们开始得到宇宙微波背景的高分辨率地图。从这个背景的波动中,我们有了新的测量H0的方法,并得到了67-68(公里/秒)/兆帕秒的值。同时,对遥远超新星和宇宙距离阶梯的观测将值确定为73-75(公里/秒)/兆帕秒。两种方法都非常精确,然而它们完全不一致。这种不一致现在被称为哈勃张力问题,是宇宙学中最烦人的谜团。
我们不确定是什么导致了哈勃张力。这可能意味着我们的一种或多种观测方法存在根本性的缺陷,或者可能意味着关于暗能量和宇宙膨胀有一些我们真的不理解的东西。但天文学家普遍认为,解决这个谜团的方法之一是寻找独立于宇宙背景和宇宙距离阶梯的测量H0的方法。其中一种方法涉及引力透镜。
引力透镜是因为引力弯曲空间,这意味着光的路径可以被大质量的存在所偏转。例如,如果一个遥远的星系碰巧位于一个较近的星系后面,我们会看到一个因引力而扭曲的遥远星系的视图,甚至可能是星系的多个图像。关于多重图像效应的有趣之处在于,每个图像的光沿着不同的路径绕过较近的星系,每个路径的距离都不同。由于光速是有限的,这意味着每个图像让我们在历史上的不同时间看到了星系。
对于星系来说,这没什么大不了的,但对于超新星来说,这意味着引力透镜可以让我们多次观测到同一个超新星。通过计算每个超新星图像的路径,我们可以确定每条路径的相对距离,通过计时每个图像的出现,我们可以确定实际距离。这为我们提供了一种独立于宇宙距离阶梯的测量方法,为我们提供了一种新的测量哈勃参数的方法。这种方法已经使用过几次,但它们的哈勃值的不确定性不足以解决哈勃张力。然而,一项使用这种方法的新研究足够精确。
这项研究基于JWST对一颗名为SN H0pe的Ia型超新星的图像。这是观测到的最远的超新星之一,由于较近的星系团G165,团队捕捉到了SN H0pe的三个透镜图像。通过它们的时间、观测亮度和计算路径,团队计算出H0为70-83(公里/秒)/兆帕秒。这仍然比其他方法有更高的不确定性,但它与通常的距离阶梯方法一致。它也明显与宇宙微波背景方法不一致。
尽管有H0pe,哈勃张力是非常真实的。如果有什么不同的话,这个新结果使问题变得更加麻烦。关于宇宙膨胀有一些我们不理解的东西,现在很明显,更好的观测本身不会解决这个谜团。