哈伯太空望远镜图像显示了超新星 Refsdal 在红色星系中的位置是巨大的 MACS J1149.6+2223 星团的成员。
有一个宇宙学的难题是「宇宙膨胀的速度有多快」，而它是以一个叫做哈伯常数的数字来衡量的。
在明尼苏达大学教授 Patrick Kelly 带领的两篇新论文中，他们成功地使用了一项新技术来测量哈伯常数——利用来自一颗爆炸恒星的光，它的光线在膨胀的宇宙中千里迢迢才到达地球。 这些论文发表在《科学 （Science） 》和《天文物理期刊 （The Astrophysical Journal） 》上。
关于标准烛光与膨胀的宇宙
自1920年代以来，我们就知道宇宙正在膨胀。
1908 年左右，美国天文学家 Henrietta Leavitt 找到了一种方法来测量一种称为「造父变星 （Cepheid variable stars） 」的恒星的固有光度——不是它们从地球上看起来有多亮，这取决于距离和其他因素，而是它们真正的光度。 造父变星会在一个规律的周期中变亮和变暗， Leavitt 表示其固有光度与这个周期的长度有关。
科学家们将造父变星以「标准烛光 （standard candles） 」做为基础，也就是说其固有光度是已知的，因此可以计算距离。
这是如何运作的？ 想象一下，现在是晚上，你站在一条又长又黑的街道上，沿路上只有几根路灯。 接着再想象一下，每个灯杆都有相同类型的灯泡，具有相同的功率。 你会发现远处的灯看起来比近处的更暗。
我们知道，光的渐弱与其距离成正比，这就是光的平方反比定律。 现在，如果你可以量化测量每盏灯对你来说有多亮，并且如果你已经知道它应该有多亮，那么你就可以算出每个灯杆的距离。
1929 年，另一位美国天文学家 Edwin Hubble 在其他星系中发现了许多这样的造父变星并测量了它们的距离——根据这些距离和其他测量结果，他可以确定宇宙正在膨胀。
不同的方法得到不同的结果
标准烛光法是一种很有效的方法，使我们能够测量浩瀚的宇宙。 我们一直在寻找可以更好地测量并能看到更远距离光度的方法。
最近有一些研究计划是在距离地球更远的地方测量宇宙的大小，比如由诺贝尔奖获得者Adam Riess领导的SH0ES项目，已经将造父变星与一种称为Ia型超新星的爆炸恒星一起使用，它也可以作为一种标准烛光。
还有其他方法可以测量哈伯常数，例如使用宇宙微波背景的方法——这是在大爆炸后不久开始在宇宙中传播的遗留光线或辐射。
问题是这两种测量方法，一个在附近使用超新星和造父变星，另一个在更远的地方使用微波背景，产生的数值相差近10%。 天文学家将这种差异称为哈伯张力，并一直在寻找新的测量技术解决这个问题。
新方法：重力透镜效应 Gravitational lensing
最近科学家已经成功使用了一项新技术来测量宇宙的膨胀率。 这项技术是基于一颗名为雷夫斯达尔（Refsdal）的超新星。
2014 年，澳大利亚国立大学天体物理学家 Brad Tucker 的团队发现了同一颗超新星的多张图像——这是第一颗被检测到的多重透镜超新星。 哈伯太空望远镜看到的不是一颗超新星，而是五颗！
这种情况是怎么发生的？ 来自超新星的光向四面八方射出，但它穿过被巨大星系团的巨大引力场扭曲的空间，引力使光的路径弯曲，最终通过多条路径到达地球。 也就是说超新星的每一次出现都是沿着宇宙中的不同路径到达我们这里。
想象一下，有三列火车同时离开同一个车站。 然而，一列直接开往下一站，一列穿过山区，另一列经过海岸，最后它们都到达相同的车站，但是因为路线不同，因此虽然他们在同一时间离开，结果是在不同的时间抵达。
因此，我们的镜头图像显示的是同一颗超新星，它在某个特定时间点爆炸，但每张图像都经过不同的路径。 通过观察超新星每次出现到达地球的时间——其中一次发生在 2015 年，在这颗爆炸的恒星已经被发现之后——我们能够测量它们的旅行时间，从而测量宇宙在我们拍摄图像时增长了多少。
我们找到最适合的测量方法了吗？
「重力透镜效应」为我们提供了一种独特的宇宙增长测量方法。 在论文中，科学家发现这种测量方式更接近于宇宙微波背景测量，而不是造父变星和超新星测量。 然而，根据它的位置，它实际上应该更接近造父变星和超新星测量。
虽然这根本不能解决争论，但它的确为我们提供了另一条线索。 一切都还有很多不确定性，包括超新星的数值可能有问题，或者我们对星系团的理解以及应用于透镜的模型有问题。 因此目前我们仍然不能保证测量宇宙膨胀最适合的方法。
原文根据创用CC授权条款从 The Conversation 发布。
数据源 ：
- Tucker, B. E. (12 May 2023). We Saw This Star Die 5 Times, And It Shows How Fast The Universe Is Expanding. ScienceAlert
- Tucker, B. E. (11 May 2023). How fast is the Universe really expanding? Multiple views of an exploding star raise new questions. The Conversation
- 图片来源：https://news.berkeley.edu/2015/03/05/distant-supernova-split-four-ways-by-gravitational-lens/ （NASA/ESA et al.）
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