宇宙正在膨脹，但究竟有多快?答案似乎取決于你是否估計宇宙膨脹率 - 稱為哈勃常數(shù)或H0—基于大爆炸的回波(宇宙微波背景，或CMB)或你測量H0直接基于今天的恒星和星系。這個問題被稱為哈勃張力，困擾著世界各地的天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家。

由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院物理研究所的理查德·安德森(Richard Anderson)領(lǐng)導(dǎo)的恒星標(biāo)準(zhǔn)蠟燭和距離研究小組進(jìn)行的一項研究為這個難題增添了新的一塊。他們的研究發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》上，根據(jù)歐洲航天局(ESA)蓋亞任務(wù)收集的數(shù)據(jù)，迄今為止對造父變星進(jìn)行了最準(zhǔn)確的校準(zhǔn) - 一種光度在規(guī)定時間內(nèi)波動的變星。這種新的校準(zhǔn)進(jìn)一步放大了哈勃張力。

哈勃常數(shù)(H0)以天體物理學(xué)家的名字命名，他與喬治·勒梅特一起在 1920 年代后期發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。它以每秒公里/兆秒差距(km/s/Mpc)為單位，其中1 Mpc約為3萬光年。

H 的最佳直接測量0使用“宇宙距離階梯”，其第一個梯級由造父變星亮度的絕對校準(zhǔn)設(shè)置，現(xiàn)在由EPFL研究重新校準(zhǔn)。反過來，造父變星校準(zhǔn)了階梯的下一個梯級，超新星 - 恒星在生命結(jié)束時的強大爆炸 - 追蹤空間本身的膨脹。

這個距離階梯，由超新星測量，H0，對于由0年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者亞當(dāng)·里斯領(lǐng)導(dǎo)的暗能量狀態(tài)方程(SH2011ES)團隊，將H0在 73.0 ± 1.0 公里/秒/米克。

大爆炸后的第一次輻射

H0也可以通過解釋CMB來確定 - CMB是13多億年前大爆炸遺留下來的無處不在的微波輻射。然而，這種“早期宇宙”測量方法必須假設(shè)對宇宙如何演化有最詳細(xì)的物理理解，使其依賴于模型。歐空局的普朗克衛(wèi)星提供了CMB最完整的數(shù)據(jù)，根據(jù)這種方法，H0是 67.4 ± 0.5 公里/秒/Mpc。

哈勃張力是指5.6 km/s/Mpc的差異，這取決于使用的是CMB(早期宇宙)方法還是距離階梯(晚期宇宙)方法。這意味著，只要在兩種方法中進(jìn)行的測量都是正確的，那么對控制宇宙的基本物理定律的理解是錯誤的。當(dāng)然，這個主要問題強調(diào)了天體物理學(xué)家的方法的可靠性是多么重要。

新的EPFL研究非常重要，因為它通過改進(jìn)造父變星作為距離追蹤器的校準(zhǔn)來加強距離階梯的第一級。事實上，新的校準(zhǔn)使我們能夠測量0.9%以內(nèi)的天文距離±這為晚期宇宙測量提供了強有力的支持。此外，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院與SH0ES團隊合作獲得的結(jié)果有助于完善H0測量，從而提高精度并增加哈勃張力的重要性。

“我們的研究證實了73 km / s / Mpc的膨脹率，但更重要的是，它還提供了造父變星的最精確，可靠的校準(zhǔn)，作為迄今為止測量距離的工具，”安德森說。

“我們開發(fā)了一種方法，通過測試恒星是否在銀河系中一起移動，尋找屬于由數(shù)百顆恒星組成的星團的造父變星。多虧了這個技巧，我們可以利用蓋亞視差測量的最佳知識，同時受益于許多星團成員恒星提供的精度增益。這使我們能夠?qū)⑸w亞視差的準(zhǔn)確性推向極限，并為距離梯子提供最堅實的基礎(chǔ)。

重新思考基本概念

考慮到宇宙的廣闊規(guī)模，為什么只有幾公里/秒/Mpc的差異很重要?“這種差異具有巨大的意義，”安德森說。

“假設(shè)你想通過挖掘山的兩側(cè)來建造一條隧道。如果您正確理解了巖石的類型并且您的計算正確，那么您正在挖掘的兩個洞將在中心相遇。但如果他們不這樣做，那就意味著你犯了一個錯誤——要么你的計算是錯誤的，要么你對巖石的類型是錯誤的。

“這就是哈勃常數(shù)的情況。我們越能確認(rèn)我們的計算是準(zhǔn)確的，我們就越能得出結(jié)論，這種差異意味著我們對宇宙的理解是錯誤的，宇宙并不像我們想象的那樣。

這種差異還有許多其他含義。它對基本原理提出了質(zhì)疑，比如暗能量的確切性質(zhì)、時空連續(xù)體和引力。“這意味著我們必須重新思考構(gòu)成我們對物理學(xué)整體理解的基礎(chǔ)的基本概念，”安德森說。

他的研究小組的研究在其他領(lǐng)域也做出了重要貢獻(xiàn)。“因為我們的測量非常精確，它們讓我們深入了解銀河系的幾何形狀，”安德森研究小組的博士生，該研究的主要作者M(jìn)auricio Cruz Reyes說。“例如，我們開發(fā)的高精度校準(zhǔn)將使我們能夠更好地確定銀河系作為平面盤星系的大小和形狀以及它與其他星系的距離。我們的工作還通過與其他望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來證實蓋亞數(shù)據(jù)的可靠性。