我們看到一顆恆星爆炸五次，它顯示出宇宙膨脹的速度有多快

文：Sophia

有一個宇宙學的到顆的速度有多快難題是「宇宙膨脹的速度有多快」，而它是恆星以一個叫做哈伯常數的數字來衡量的。

在明尼蘇達大學教授Patrick Kelly帶領的爆炸兩篇新論文中，他們成功地使用了一項新技術來測量哈伯常數——利用來自一顆爆炸恆星的次顯光，它的示出光線在膨脹的宇宙中千里迢迢才到達地球。這些論文發表在《科學》（Science）和《天文物理期刊》（The宇宙 Astrophysical Journal）上。

關於標準燭光與膨脹的膨脹宇宙

自1920年代以來，我們就知道宇宙正在膨脹。到顆的速度有多快

1908年左右，恆星美國天文學家Henrietta Leavitt找到了一種方法來測量一種稱為「造父變星（Cepheid variable stars）」的爆炸恆星的固有光度——不是它們從地球上看起來有多亮，這取決於距離和其他因素，次顯而是示出它們真正的光度。造父變星會在一個規律的宇宙周期中變亮和變暗， Leavitt 表示其固有光度與這個週期的膨脹長度有關。

科學家們將造父變星以「標準燭光」（standard candles）做為基礎，到顆的速度有多快也就是說其固有光度是已知的，因此可以計算距離。

這是如何運作的？想像一下，現在是晚上，你站在一條又長又黑的街道上，沿路上只有幾根路燈。接著再想像一下，每個燈桿都有相同類型的燈泡，具有相同的功率。你會發現遠處的燈看起來比近處的更暗。

我們知道，光的漸弱與其距離成正比，這就是光的平方反比定律。現在，如果你可以量化測量每盞燈對你來說有多亮，並且如果你已經知道它應該有多亮，那麼你就可以算出每個燈桿的距離。

1929年，另一位美國天文學家Edwin Hubble在其他星系中發現了許多這樣的造父變星並測量了它們的距離——根據這些距離和其他測量結果，他可以確定宇宙正在膨脹。

圖片來源：NASA/ESA/P Kelly

不同的方法得到不同的結果

標準燭光法是一種很有效的方法，使我們能夠測量浩瀚的宇宙。我們一直在尋找可以更好地測量並能看到更遠距離光度的方法。

最近有一些研究計畫是在距離地球更遠的地方測量宇宙的大小，比如由諾貝爾獎獲得者Adam Riess領導的SH0ES項目，已經將造父變星與一種稱為Ia型超新星的爆炸恆星一起使用，它也可以作為一種標準燭光。

還有其他方法可以測量哈伯常數，例如使用宇宙微波背景的方法——這是在大爆炸後不久開始在宇宙中傳播的遺留光線或輻射。

問題是這兩種測量方法，一個在附近使用超新星和造父變星，另一個在更遠的地方使用微波背景，產生的數值相差近10％。天文學家將這種差異稱為哈伯張力，並一直在尋找新的測量技術解決這個問題。

新方法：重力透鏡效應（Gravitational lensing）

最近科學家已經成功使用了一項新技術來測量宇宙的膨脹率。這項技術是基於一顆名為雷夫斯達爾（Refsdal）的超新星。

2014年，澳洲國立大學天體物理學家Brad Tucker的團隊發現了同一顆超新星的多張圖像——這是第一顆被檢測到的多重透鏡超新星。哈伯太空望遠鏡看到的不是一顆超新星，而是五顆！

這種情況是怎麼發生的？來自超新星的光向四面八方射出，但它穿過被巨大星系團的巨大引力場扭曲的空間，引力使光的路徑彎曲，最終通過多條路徑到達地球。也就是說超新星的每一次出現，都是沿著宇宙中的不同路徑到達我們這裡。

想像一下，有三列火車同時離開同一個車站。然而，一列直接開往下一站，一列穿過山區，另一列經過海岸，最後它們都到達相同的車站，但是因為路線不同，因此雖然他們在同一時間離開，結果是在不同的時間抵達。

Photo Credit: P.L. Kelly et al., Science, 2023

因此，我們的鏡頭圖像顯示的是同一顆超新星，它在某個特定時間點爆炸，但每張圖像都經過不同的路徑。通過觀察超新星每次出現到達地球的時間——其中一次發生在2015年，在這顆爆炸的恆星已經被發現之後——我們能夠測量它們的旅行時間，從而測量宇宙在我們拍攝圖像時增長了多少。

我們找到最適合的測量方法了嗎？

「重力透鏡效應」為我們提供了一種獨特的宇宙增長測量方法。在論文中，科學家發現這種測量方式更接近於宇宙微波背景測量，而不是造父變星和超新星測量。然而，根據它的位置，它實際上應該更接近造父變星和超新星測量。

雖然這根本不能解決爭論，但它的確為我們提供了另一條線索。一切都還有很多不確定性，包括超新星的數值可能有問題，或者我們對星系團的理解以及應用於透鏡的模型有問題。因此目前我們仍然不能保證測量宇宙膨脹最適合的方法。

參考資料

• 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
• 圖片來源：https://news.berkeley.edu/2015/03/05/distant-supernova-split-four-ways-by-gravitational-lens/ (NASA/ESA et al.)

本文經明日科學授權刊登，原文刊載於此

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責任編輯：朱家儀
核稿編輯：翁世航