宇宙的扩张速度超出了预期

12月3日，人类突然间获得了人们永远想要的信息：到恒星的精确距离。

芝加哥大学和卡内基天文台的宇宙学家巴里·马多雷（Barry Madore）上周在一次Zoom通话中说：“您输入星星的名称或位置，然后不到一秒钟，您就会得到答案。” “我的意思是……”他走开了。

“我们现在正在从火水嘴里喝酒，”芝加哥和卡耐基的宇宙学家温迪·弗里德曼（Wendy Freedman）说，也是马多尔的妻子和合作者。

约翰·霍普金斯大学的亚当·里斯因共同发现暗能量而获得了2011年诺贝尔物理学奖，他说：“我不能高估自己的兴奋程度。” “我可以从视觉上向您展示我对此感到兴奋吗？”我们切换到Zoom，以便他可以屏幕共享新恒星数据的漂亮图。

数据来自欧洲航天局的盖亚号航天器，该航天器在过去六年中一直处于100万英里高的高空凝视。望远镜测量了13亿颗恒星的“视差”，即恒星在天空中明显位置的微小变化，揭示了它们的距离。多伦多大学的天体物理学家乔·波维（Jo Bovy）说：“盖亚视差是迄今为止最精确，最精确的距离测定。”

盖亚（Gaia）的新目录特别适合宇宙学家，其中包括一些特殊的恒星，它们的距离成为衡量所有更远的宇宙学距离的准绳。因此，新数据迅速激化了现代宇宙学的最大难题：宇宙出乎意料的快速膨胀，被称为哈勃张力。

紧张是这样的：宇宙的已知成分和控制方程式预测，它目前应该以每秒67英里每秒的速度扩展。这意味着我们应该看到，每增加1毫秒的距离，星系就会以每秒67公里的速度飞离我们。但是实际测量结果始终超过标记。星系退缩太快。差异令人兴奋地表明，宇宙中可能正在散布一些未知的促进剂。

弗里德曼说：“如果有了新的物理学，那将是令人难以置信的激动。” “我内心有一个秘密，我希望那里是一个发现。但是我们要确保我们是对的。在我们可以如此明确地说出来之前，还有很多工作要做。”

这项工作涉及减少宇宙膨胀率测量中可能的误差源。这种不确定性的最大来源之一是与附近恒星的距离，即新的视差数据几乎可以确定的距离。

在昨晚在线发布并提交给《天体物理学杂志》的论文中，Riess的团队使用新数据将扩展速度固定在每秒73.2公里/兆帕秒，与之前的值一致，但现在误差范围仅为1.8％。这似乎以67％的低得多的预期比率巩固了差异。

弗里德曼（Freedman）和马多尔（Madore）希望在1月份发布他们小组对宇宙膨胀率的新的和改进的度量。他们也希望新数据能够巩固而不是改变其测量结果，该测量结果往往低于Riess和其他群体的测量结果，但仍高于预期。

自2013年12月Gaia推出以来，它已发布了另外两个海量数据集，这些数据集彻底改变了我们对宇宙邻居的理解。盖亚（Gaia）较早的视差测量结果令人失望。 Freedman说：“当我们看一下2016年的第一个数据发布时，我们想哭。”

哥白尼在16世纪提出地球绕太阳旋转。但是即使在那时，天文学家也知道视差。如果地球按照哥白尼的观点移动，那么他们希望看到附近的星星在天空中移动，就像路灯柱在您过马路时相对于背景山丘移动一样。天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）没有发现任何这样的恒星视差，因此得出结论，地球不会移动。

然而，确实如此，恒星确实在移动-尽管几乎没有，因为它们相距甚远。

直到1838年，德国天文学家弗里德里希·贝塞尔（Friedrich Bessel）才检测出恒星视差。通过测量61 Cygni恒星系统相对于周围恒星的角位移，贝塞尔得出的结论是，它的距离为10.3光年。他的测量值与真实值的差只有10％-盖亚（Gaia）的新测量结果将两颗恒星放置在系统中，分别位于11.4030和11.4026光年，相差一千二百光度。

61 Cygni系统异常接近。更典型的银河系恒星仅发生千分之一秒的弧度偏移，这在现代望远镜相机中仅为百分之一的像素。检测运动需要专用的超稳定仪器。盖亚（Gaia）就是为此目的而设计的，但是当它打开时，望远镜出现了无法预料的问题。

Lennart Lindegren解释说，这部望远镜的工作原理是同时在两个方向上同时观察两个恒星之间的角度差，并在1993年与Gaia共同提出了这一建议，并领导了对新视差数据的分析。准确的视差估计需要两个视场之间的角度保持固定。但是在盖亚任务的早期，科学家发现它没有。望远镜在相对于太阳旋转时会略微弯曲，从而在其测量中引入了模仿视差的摆动。更糟糕的是，这种视差“偏移”以复杂的方式取决于对象的位置，颜色和亮度。

但是，随着数据的累积，盖亚（Gaia）科学家发现将假视差与真实视差区分开更加容易。 Lindegren及其同事设法从新发布的视差数据中消除了望远镜的大部分抖动，同时还设计了一个公式，研究人员可以根据恒星的位置，颜色和亮度校正最终的视差测量值。

有了新数据，Riess，Freedman和Madore及其团队已经能够重新计算宇宙的膨胀率。从广义上讲，衡量宇宙膨胀的方法是找出遥远的星系有多远以及它们离我们的速度有多快。速度测量很简单；距离很难。

最精确的测量依赖于复杂的“宇宙距离阶梯”。第一个梯级由我们星系内部和周围的“标准蜡烛”星组成，这些星具有明确的光度，并且足够接近以显示视差，这是唯一明确的方法，可以告诉人们事物没有走到那里有多远。然后，天文学家将这些标准蜡烛的亮度与附近星系中较暗的蜡烛的亮度进行比较，以推算它们的距离。那是阶梯的第二梯级。了解这些星系的距离是因为它们包含稀有的，明亮的，称为1a型超新星的恒星爆炸，因此宇宙学家可以测量包含较暗的1a型超新星的更遥远星系的相对距离。这些遥远星系的速度与其距离之比可得出宇宙膨胀率。

因此，视差对整个结构至关重要。 “您改变了第一步-视差-然后随之而来的一切也都发生了变化，”距离梯方法的负责人之一里斯说。 “如果您更改第一步的精度，那么其他所有内容的精度都会改变。”

里斯（Riess）的团队已使用盖亚（Gaia）的75个造父变星的新视差（脉动的恒星，作为他们的首选标准蜡烛）重新校准了它们对宇宙膨胀率的测量。

Riess在距离梯子比赛中名列前茅的主要对手Freedman和Madore认为，近年来，造父变星在梯子的较高梯级上助长了可能的失误。因此，他们的团队没有过多依赖他们，而是根据Gaia数据集中的多种标准烛光星组合了测量值，这些星光包括造父变星，RR天琴座星，红色巨星分支星等。所谓的碳星。

Madore说：“ Gaia的[新数据发布]为我们提供了坚实的基础。”尽管预计Madore和Freedman的团队不会在几周后发表一系列论文，但他们指出，新的视差数据和校正公式似乎效果很好。与各种绘制和解剖测量结果的方法一起使用时，代表造父变星和其他特殊恒星的数据点沿直线整齐地落下，几乎没有“散点”表示随机误差。

Madore说：“这告诉我们我们确实在研究真实的东西。”