自從宇宙存在以來，空間就一直在膨脹。 它在大約 138 億年前突然出現，從那時起一直在膨脹，就像一個巨大的宇宙氣球。
目前的擴張速度稱為哈伯常數，或H0，它是宇宙的基本測量之一。
如果你知道哈伯常數，你就可以計算出宇宙的年齡。 您可以計算宇宙的大小。 您可以更準確地計算神秘的影響力暗能量推動宇宙的膨脹。 而且，有趣的是，H0是計算星系間距離所需的值之一。
然而，有一個很大的問題。 我們有幾種高精度的方法來確定哈伯常數？ 而這些方法不斷返回不同的結果，原因未知。
這可能是我們測量技術的校準問題——我們用來測量宇宙距離的標準蠟燭和標準尺（稍後會詳細介紹）。 它可能是暗能量的某種未知屬性。
或者也許我們對基礎物理學的理解並不完整。 要解決這個問題很可能需要獲得諾貝爾獎的突破。
那麼，我們要從哪裡開始呢？
基礎
哈伯常數通常用看似不尋常的距離和時間單位組合來表示 - 公里每秒每百萬秒差距，或（公里/秒）/Mpc； 百萬秒差距約 330 萬光年。
這種結合是必要的，因為宇宙的膨脹正在加速，因此離我們越遠的東西似乎消退得越快。 假設，如果我們發現距離1 兆秒差距的星係以10 公里/秒的速度後退，而距離10 兆秒差距的星系似乎以100 公里/秒的速度後退，我們可以將這種關係描述為10 公里/秒每兆秒差距。
換句話說，確定比例關係星系遠離我們的速度 (km/s) 和它們的距離 (Mpc) 之間的關係為我們提供了 H 值0。
如果有一種簡單的方法來衡量這一切就好了。
宇宙學家設計了多種方法來計算哈伯常數，但主要有兩種方法。 它們要么涉及標準尺子，要么涉及標準蠟燭。
標準標尺及其信號
標準統治者是基於早期宇宙某一時期的信號重組紀元。 之後大霹靂，宇宙是如此炎熱和緻密，原子無法形成。 相反，只存在熾熱、不透明的等離子霧。 經過大約 38 萬年的冷卻和膨脹，等離子體終於開始重新組合成原子。
我們依賴這時期的兩個訊號。 第一個是宇宙微波背景(CMB) - 當物質重組時從等離子霧中逸出的光，空間變得透明。 這第一道光——儘管現在已經很微弱——仍然均勻地充滿宇宙的各個方向。
宇宙微波背景溫度的波動代表了早期宇宙的膨脹和收縮，將其納入計算中，讓我們推斷宇宙的膨脹歷史。
第二個訊號稱為重子聲振盪，它是透過早期宇宙的等離子霧傳播的球形聲密度波的結果，在重組時期陷入停滯。
此聲波在此時間範圍內傳播的距離約為 150 兆秒差距； 這在整個宇宙歷史中的密度變化中是可以檢測到的，從而提供了一個測量距離的「標尺」。
天空中的標準蠟燭
另一方面，標準蠟燭是基於本地宇宙中的物體的距離測量。 這些不能只是任何古老的恆星或星系——它們必須是已知固有亮度的物體，例如 Ia 型超新星，造父變星，或星星紅巨星分支的尖端。
「當你看著天空中的星星時，你可以非常精確地測量它們左右的位置，你可以非常精確地指向它們，但你無法知道它們有多遠，」天體物理學家塔瑪拉·戴維斯來自澳洲昆士蘭大學的博士告訴 ScienceAlert。
「很難區分真正明亮且遙遠的東西，還是微弱而近距離的東西。因此，人們測量它的方式是找到某種在某種程度上標準的東西。標準蠟燭是已知亮度的東西。 ”
標準尺和標準蠟燭都非常精確，也就是說，非常精確。 當用於計算哈伯常數時，它們都會傳回不同的結果。
根據標準統治者，即早期宇宙，H0約為每秒 67 公里每兆秒差距。 對於標準燭光——本地宇宙——來說，它的速度約為每秒每兆秒差距 74 公里。
這兩個結果的誤差幅度都不足以縮小它們之間的差距。
差距的歷史
天文學家亞歷山大·弗里德曼 (Alexander Friedmann) 和喬治·勒梅特 (Georges Lemaître) 在 20 世紀 20 年代首次注意到宇宙一直在膨脹。 到 1929 年，埃德溫·哈伯 (Edwin Hubble) 根據標準蠟燭計算了膨脹率，稱為造父變星，亮度週期性變化； 由於這種變化的時間與這些恆星的固有亮度有關，因此它們是一種出色的距離測量工具。
但距離校準不太正確，這也影響了宇宙距離測量。 因此，早期的計算回傳了 H0每百萬秒差距每秒約 500 公里。
戴維斯說：“我們立即發現了一個問題，因為研究地球的地質學家知道地球大約有 40 億年的歷史。”
「如果你將膨脹速度計算為 500 公里/秒，你就可以計算出需要多長時間才能達到目前宇宙的大小，大約需要 20 億年。這意味著地球比地球還要古老。宇宙——這是不可能的——所以人們覺得'宇宙的膨脹'完全是一場鬧劇。
這就是哈伯常數一直保留到 20 世紀 50 年代左右，當時德國天文學家沃爾特·巴德 (Walter Baade) 發現造父變星有兩種類型，從而可以對哈伯常數進行精確計算。 它已降至 100 (km/s)/Mpc 左右。
從那裡，您就知道事情是如何進行的 - 您可以在上圖中看到進展。 隨著我們的技術、技巧和理解變得越來越完善，哈伯常數計算以及我們對它們的信心也越來越完善。
「我們過去的誤差線為正負 50，」戴維斯說。 “現在我們的誤差線為正負 1 或 2。由於測量結果變得非常好，這些技術現在已經完全不同，很難用測量誤差來解釋。”
有什麼大不了的？
今天，這兩個值之間的差異（稱為哈伯張力）可能看起來並不是一個很大的數字 - 只是9.4%。
但宇宙學家尚未弄清楚造成這種差異的原因在哪裡。 最明顯的問題是校準問題，但其根源仍然難以捉摸。
例如，幾個不同的團隊已經計算了 H0根據普朗克空間天文台獲得的測量結果，從 CMB 獲得。 問題可能在於我們對數據的解釋； 但是一個2019年CMB調查由另一台儀器阿塔卡馬宇宙學望遠鏡所得的結果與普朗克數據一致。
此外，H0根據完全不同的儀器斯隆數位巡天測量的重子聲振盪進行的計算，傳回相同的結果。
也許我們的標準蠟燭也讓我們誤入歧途。 這些物體被分為幾個階段，形成「宇宙距離階梯」。 第一，視差- 附近的恆星似乎如何相對於更遠的恆星改變位置 - 用於驗證到兩種類型變星的距離。
(設計及更多）
變星的下一步是河外星系Ia型超新星。 這就像爬上一架梯子，在宇宙中越走越遠，「即使其中一個步驟中的微小錯誤也可能會在以後傳播成更大的錯誤，」戴維斯指出。
解決這個問題的其他嘗試包括以不同的方式思考我們周圍的空間。
這哈伯氣泡假說例如，它基於這樣的想法：銀河系位於宇宙中密度相對較低的「氣泡」中，周圍環繞著密度較高的物質。 這種較高密度材料的引力效應會拉動氣泡內部的空間，使得局部空間的膨脹速度似乎比早期宇宙更快。
然而，即使上述所有因素確實導致了該問題，但這也很難達到 9.4% 的差異。
“人們非常有創意地想出了這些方法可能出錯的可能方式。到目前為止，沒有人能夠令人信服地論證任何一個特定的錯誤可以解釋我們所看到的差異，”宇宙學家馬修‧科萊斯來自澳洲國立大學的專家告訴 ScienceAlert。
「有可能一大堆不同的小錯誤都以相同的方式排列起來；但這些錯誤來源彼此之間並不相關。如果碰巧我們發現每一種不同類型的錯誤，那將是非常令人驚訝和極其不幸的。
也許罪魁禍首在於物理學？
在幾乎所有其他方面，我們的宇宙學模型都運作得非常好。 因此，如果你試圖改變哈伯常數的基本組成部分之一，其他東西往往會被破壞。
「你可以改變標準尺，」科勒斯說，「但你會打破一些其他的觀察結果——宇宙中物質的數量，中微子- 諸如此類的事情，可以通過當前模型很好地測量和解釋，但會被“修復”標準尺所需的更改所破壞。
這導致了——我們到底錯過了什麼？ 難道是有問題嗎？ 基礎物理學？
「我非常確信這可能是個錯誤，」戴維斯指出。 “但確實很難解釋當前測量結果中的誤差從何而來。所以我的結果幾乎是 50-50。這是一個有趣的差異。嘗試找出原因真的很有趣。”
如果我們的選擇是“人類塞滿了東西”和“實際上，物理學是錯誤的”，那麼責任通常會落在前者身上。
事實上，這是輕描淡寫的說法。 「新物理學」是一個極為罕見的答案。 但哈伯張力是一個棘手的問題，宇宙學家想盡辦法都無法找到解決方案。
這使得它成為一件令人難以置信的令人興奮的事情。
這些斑點大部分都是星系。 (NASA、ESA、S. Beckwith (STScI) 和 HUDF 團隊）
可能有什麼東西廣義相對論沒有占到。 這太瘋狂了：愛因斯坦的理論經受住了考驗宇宙測試。 但我們不能忽視這種可能性。
當然，還有其他的可能性，例如暗能量的巨大未知數。 我們不知道暗能量是什麼，但它似乎是一種基本力量，負責對於負壓這正在加速我們宇宙的膨脹。 或許。
「我們唯一模糊的想法是，它是愛因斯坦的宇宙學常數，即真空的能量，」科萊斯說。 “但我們真的不知道它是如何運作的，因為我們沒有一個令人信服的方法來預測宇宙常數的值應該是多少。”
或者，這可能是我們對重力的理解中的一些漏洞，儘管「影響廣義相對論這樣基本理論的新物理學極為罕見，」科萊斯指出。
“如果有新的物理學，並且如果它需要對廣義相對論進行修改，那肯定會是諾貝爾獎級別的突破性物理學。”
唯一的前進之路
無論是校準錯誤、我們目前對物理學的理解存在巨大錯誤，還是其他原因，如果我們要修復哈伯常數，只有一種方法可以解決——做更多的科學研究。
首先，宇宙學家可以利用我們現有的標準蠟燭和標準尺的數據，進一步完善它們並進一步減少誤差線。 作為補充，我們還可以獲得新的數據。
例如，Colless 正在澳洲開展一個項目，使用尖端技術大班儀器新安裝在賽丁泉天文台。 團隊將調查當地宇宙中的數百萬個星系，以測量盡可能靠近我們的重子聲振盪，以解釋距離產生的任何測量問題。
「我們將測量 200 萬個非常接近的星系 - 覆蓋整個南半球和北半球的一小部分 - 盡可能靠近，尋找重子聲振盪信號，並以 1% 的比例測量該比例精度非常低紅移」。
這與距離梯所涵蓋的空間體積相同。 因此，如果 TAIPAN 結果相同，則傳回 H0每秒每百萬秒差距 67 公里，問題可能出在我們的標準蠟燭上。
另一方面，如果結果接近每兆秒差距 74 公里/秒，則表示標準蠟燭更堅固。
新興研究領域也是一種選擇； 不是標準蠟燭或標準尺子，而是標準警報器，基於重力波天文學——時空中的漣漪是由物體之間的大規模碰撞傳播的黑洞和中子星。
兩顆中子星碰撞的動畫。 (加州理工學院/YouTube）
戴維斯說：“它們與超新星相似，因為我們知道它們本質上有多亮。”
「基本上，它就像一根標準蠟燭。它有時被稱為標準警報器，因為它的頻率重力波告訴你它有多亮。 因為我們從廣義相對論知道頻率和亮度之間的關係，所以我們不需要進行任何校準。 我們只有一個數字，這使得它比其他一些方法乾淨得多。
用重力波測量哈伯常數仍然很困難。 但初步計算結果是有希望的。 2017年，中子星碰撞使天文學家能夠將範圍縮小到大約70（公里/秒）/Mpc，兩側的誤差條足夠大以覆蓋 67 和 74，然後是一些。
戴維斯說，但就一項觀察而言，如此精確的測量是令人驚嘆的。
「我們現在已經測量了數千顆超新星，」她說。 「我們測量了數百萬個星系來測量重子聲振盪，我們測量了整個天空來測量宇宙微波背景。
“而這個單一物體，即引力波的一次測量，得到的誤差約為 10%，而其他探測器則花費了數十年的時間進行研究。”
重力波天文學仍處於起步階段——我們檢測到足夠的中子星碰撞以充分完善這些結果只是時間問題。 運氣好的話，這將有助於找出哈伯張力的原因。
不管怎樣，它都將創造歷史。 當然，新的物理學會令人驚奇──但距離階梯的錯誤會動搖天文學。 這可能意味著我們對 Ia 型超新星或恆星如何演化存在一些不了解。
無論以哪一種方式解決，解決哈伯張力都將產生波及整個天文學科學的影響。
「這就是為什麼宇宙學家對此如此興奮。因為宇宙學理論非常有效，所以當我們發現它無法預測的東西時，我們會非常興奮。因為當事情破裂時，那就是你學習的時候，」科萊斯說。
“科學就是不斷嘗試和犯錯——在錯誤中你可以學到新的東西。”
