[비즈한국] 天文学家们使用多种方式来测量到遥远星系的距离。如果我们能通过已知的物理特性（并且如果该特性可靠）推断出天体的实际亮度，那么无论距离远近，我们都可以利用它作为“标准烛光”来计算距离。然而，这里存在一个重要且根本的问题：根据测量方法的不同，所适用的距离范围也各不相同。
造父变星（Cepheid variables）是一种普通的恒星，由于会周期性地收缩和膨胀，其亮度也会发生规律性变化，但说到底它也只是一颗普通恒星，亮度并不高。因此，如果距离太远，几乎不可能将星系中的造父变星单独区分开来。所以，造父变星只能在最远几千万光年的范围内有效地用于测量距离。
在更远的距离上，我们需要亮度更高、在远处也能被观测到的新标准烛光。例如Ia型超新星。虽然这仅仅是一颗恒星爆炸，但其闪光极其强烈，亮度甚至可以媲美聚集了数千亿颗恒星的整个星系。得益于此，Ia型超新星可以被用于测量距离达数十亿光年的星系。当然，其问题在于适用距离越远，误差范围也越大。
通常在学校学习天文学的“宇宙距离阶梯”时，提到这些就差不多了。但实际上，天文学中使用的距离测量方法确实多种多样。这充分体现了天文学家们为了在未知距离的情况下查明天体原始亮度所付出的艰辛努力。观察这些相互交织的测量方法之间的关系，与其称之为笔直的“距离阶梯”，或许称之为错综复杂的“距离网”更为贴切。
从20世纪末至今，距离阶梯一直是我们在测量遥远宇宙尺度时所遵循的天文学基本哲学之一。然而，随着最近詹姆斯·韦布空间望远镜以史无前例的清晰分辨率观测到各种星系，这架阶梯开始出现裂痕。正是在这里（上一篇专栏中介绍的），点燃了21世纪天文学界大争论的火种。
芝加哥大学的天文学家温迪·弗里德曼（Wendy Freedman）想要更系统、更客观地验证我们所测量的星系距离是否存在问题。她首先选择了10个由詹姆斯·韦布望远镜观测到的星系。这些星系中既有造父变星，也包含各种其他标准烛光，且都含有Ia型超新星。因此，基于分析结果，可以验证利用Ia型超新星测量更远星系距离的方法论是否妥当。
在本次研究中，弗里德曼团队利用的标准烛光除了造父变星外，主要还有两种。首先是TRGB方法，即利用红巨星分支（Tip of the Red Giant Branch）的顶端。如果能将星系中的所有恒星一一拆解，就能掌握每一颗恒星的亮度和温度。这可以呈现在一张图表上，就像通过色等图（Color-Magnitude Diagram）观察星团内恒星亮度和温度的分布一样，星系也可以如此绘制。
星系的色等图有几个有趣的特征，其中之一就是红巨星分支。红巨星是恒星演化过程中变得巨大且温度冷却的阶段。随着恒星持续膨胀，温度会逐渐降低，但由于恒星本身极其膨胀，亮度反而会越来越亮。然而，红巨星的亮度并不能无限制地增加。最终，过于臃肿的恒星将无法承受极限，会抛掉外壳层。
有趣的是，红巨星能够保持的最稳定极限是固定的。也就是说，在星团或星系中能观测到的最亮红巨星，其亮度大致相当。如果绘制星团或星系中恒星的色等图，可以看到在最右侧长长地垂直分布着红巨星分支。天文学家推测该分支最顶端的最大亮度是恒定的。位于红巨星分支最顶端、作为星系中最亮的红巨星，本身就起到了一种标准烛光的作用。这种方法被称为TRGB方法。
本次研究中使用的另一种标准烛光是J-AGB（J区域渐近巨星分支）星。这些恒星因重恒星在漫长的核聚变岁月中积累了大量碳而得名。从化学组成来看，它们的碳含量高于氧，因此也被称为“碳星”。由于化学特性，碳星在波长比可见光更长的近红外区域尤为明亮。由于非常明亮，即使身处遥远星系，捕捉到它们的身影也不太困难。
当然，碳星的亮度并非完全一致，但纵观目前已观测到的碳星亮度分布，以特定的平均亮度为基准，它们呈现出相当规整的正态分布。因此，天文学家们在考虑到少许统计误差的情况下，将其作为一种可以推断实际亮度的辅助标准烛光。碳星在詹姆斯·韦布观测中尤为有利，原因正是该望远镜恰好观测的是近红外波段。
弗里德曼将研究团队分为三组，分别对应造父变星、TRGB和碳星这三种标准烛光。并让每组选择一种标准烛光，重新计算10个星系的距离。有趣的是，弗里德曼严格管理各团队，确保他们互不共享信息。为了公正比较，在最终结果公布前，各团队互不知晓彼此的研究进展，进行了一种“盲测”。最终，研究团队结束各自计算并汇总结果，其结果非常引人注目。
仅利用造父变星得出的宇宙膨胀率结果为72.5 km/s/Mpc，这与长期以来根据星系退行现象推测出的宇宙膨胀率相似。然而，用其他两种标准烛光测得的结果却大相径庭。TRGB得出的结果为69.85 km/s/Mpc，碳星（J-AGB）得出的结果为67.96 km/s/Mpc。将三个值取平均，大约为69.96±2 km/s/Mpc。
有趣的是，除了造父变星，利用TRGB和碳星得出的结果，与通过宇宙微波背景辐射观测推测出的69 km/s/Mpc的宇宙膨胀率竟然出奇地吻合！
起初，“哈勃张力”（Hubble tension）这一谜团之所以引起争议，是因为通过宇宙微波背景辐射得出的膨胀率与通过比较星系距离和退行速度得出的膨胀率之间存在差异。但正如弗里德曼的研究所示，如果利用非造父变星的其他两种标准烛光——TRGB和碳星来测量星系距离，哈勃张力就会清脆地消失！无论是通过星系推测，还是通过宇宙微波背景观测推测，宇宙膨胀率都维持在69 km/s/Mpc左右。数据出现偏差的情况，只有在使用造父变星推测星系距离时才发生。
简单总结就是，面对同一个星系，根据所使用的标准烛光不同，得出的星系距离也会略有差异。这难道不令人困惑吗？为什么会出现这样的问题呢？
对此，弗里德曼提出了一种可能性，即利用造父变星的测距法可能存在一定缺陷。如果变星周围存在大量遮挡星光的尘埃云，可能会对观测到的恒星亮度产生很大影响。此外，造父变星若过于密集，两三颗恒星可能被视作一颗恒星而导致观测失真；根据恒星所含重元素丰度的不同，其亮度和温度也有变化的风险。她解释说，如果我们不考虑这些细致的恒星物理学，仅仅将造父变星视为一种过于方便的标准烛光，那么我们推测出的星系距离可能会产生巨大误差。
弗里德曼提出的质疑需要被严肃对待。因为在支撑我们逐级丈量宇宙尺度的距离阶梯中，造父变星实际上占据了几乎第一步的压倒性地位。如果利用造父变星测距的方法论本身存在不可忽视的问题，那么堆叠在其上的其他测距方法的刻度也将面临需要更细致调整的问题。
然而，弗里德曼的论文发表后，约翰斯·霍普金斯大学的天文学家亚当·里斯（Adam Riess）立即提出了反驳。他曾因通过Ia型超新星观测发现宇宙正在加速膨胀而获得诺贝尔物理学奖。目前，他正领导着旨在通过观测更多星系和超新星来精确计算宇宙膨胀率的“暗能量状态方程超新星及哈勃常数观测项目”（SHOES）。
里斯提出质疑，认为弗里德曼仅凭10个星系的比较结果进行了过度解读。例如，他主张如果收集更多数据，包括他研究团队用哈勃空间望远镜观测的42个星系进行分析，那么用造父变星得出的结果也将与用其他标准烛光得出的结果没有太大差异。
另一方面，弗里德曼对亚当·里斯的反驳进行了再反驳，她解释称，为了在统计上保持公正比较，他们仅对由詹姆斯·韦布望远镜完成观测的10个星系进行了分析。但对此，里斯又再次提出了反驳，指出他的SHOES研究团队曾确认过利用造父变星和TRGB得出的星系距离是一致的。
弗里德曼和里斯之间的争论比作为本次研究起因的古典“哈勃张力”争议更为令人困惑。因为面对同一台望远镜观测到的相同数据，两个研究团队却提出了完全不同的主张。
如果弗里德曼的主张属实，那么一直困扰天文学家的“哈勃张力”谜团可能会出人意料地简单化解。并不需要动摇暗物质和暗能量根基的重大物理学改变。仅仅是因为当初用造父变星测量的星系距离存在一定误差，才导致其与宇宙微波背景辐射推测的膨胀率不符。然而，这反而引发了更令人困扰的忧虑：这意味着过去用造父变星测量的星系距离全都面临需要重新调整的问题。
反之，如果里斯的主张属实，那么“哈勃张力”最终仍将悬而未决。我们将在没有任何进展的情况下，继续面对这令人压抑的现状。但幸运的是，我们可以放心，利用造父变星计算的星系距离并没有大问题。我们将继续像过去一样，用造父变星丈量宇宙尺度，并调整距离阶梯的台阶。
两名特定天文学家站在前台激烈地交换论文和回应。我们的宇宙究竟更接近谁的构想？20世纪未完的课题在21世纪引发的这场更激烈的宏大争论，最终将如何收场呢？
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240806153F/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240803474L/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240800065L/abstract
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2e0a
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad1ddd
https://www.quantamagazine.org/the-webb-telescope-further-deepens-the-biggest-controversy-in-cosmology-20240813/
作者池雄培（音译）是谁？他热爱猫与宇宙。童年时看过《银河铁道999》后，便萌生了让人们了解宇宙之美的梦想。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过星系相互作用的演化，并从事讲座、写作等多种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（恒星，光的科学）等书籍。