[비즈한국] 天文學家們使用多種方式來測量到遙遠星系的距離。如果我們能透過已知的物理特性（並且如果該特性可靠）推斷出天體的實際亮度，那麼無論距離遠近，我們都可以利用它作為“標準燭光”來計算距離。然而，這裡存在一個重要且根本的問題：根據測量方法的不同，所適用的距離範圍也各不相同。
造父變星（Cepheid variables）是一種普通的恆星，由於會週期性地收縮和膨脹，其亮度也會發生規律性變化，但說到底它也只是一顆普通恆星，亮度並不高。因此，如果距離太遠，幾乎不可能將星系中的造父變星單獨區分開來。所以，造父變星只能在最遠幾千萬光年的範圍內有效地用於測量距離。
在更遠的距離上，我們需要亮度更高、在遠處也能被觀測到的新標準燭光。例如Ia型超新星。雖然這僅僅是一顆恆星爆炸，但其閃光極其強烈，亮度甚至可以媲美聚集了數千億顆恆星的整個星系。得益於此，Ia型超新星可以被用於測量距離達數十億光年的星系。當然，其問題在於適用距離越遠，誤差範圍也越大。
通常在學校學習天文學的“宇宙距離階梯”時，提到這些就差不多了。但實際上，天文學中使用的距離測量方法確實多種多樣。這充分體現了天文學家們為了在未知距離的情況下查明天體原始亮度所付出的艱辛努力。觀察這些相互交織的測量方法之間的關係，與其稱之為筆直的“距離階梯”，或許稱之為錯綜複雜的“距離網”更為貼切。
從20世紀末至今，距離階梯一直是我們在測量遙遠宇宙尺度時所遵循的天文學基本哲學之一。然而，隨著最近詹姆斯·韋布空間望遠鏡以史無前例的清晰解析度觀測到各種星系，這架階梯開始出現裂痕。正是在這裡（上一篇專欄中介紹的），點燃了21世紀天文學界大爭論的火種。
芝加哥大學的天文學家溫迪·弗裡德曼（Wendy Freedman）想要更系統、更客觀地驗證我們所測量的星系距離是否存在問題。她首先選擇了10個由詹姆斯·韋布望遠鏡觀測到的星系。這些星系中既有造父變星，也包含各種其他標準燭光，且都含有Ia型超新星。因此，基於分析結果，可以驗證利用Ia型超新星測量更遠星系距離的方法論是否妥當。
在本次研究中，弗裡德曼團隊利用的標準燭光除了造父變星外，主要還有兩種。首先是TRGB方法，即利用紅巨星分支（Tip of the Red Giant Branch）的頂端。如果能將星系中的所有恆星一一拆解，就能掌握每一顆恆星的亮度和溫度。這可以呈現在一張圖表上，就像透過色等圖（Color-Magnitude Diagram）觀察星團內恆星亮度和溫度的分佈一樣，星系也可以如此繪製。
星系的色等圖有幾個有趣的特徵，其中之一就是紅巨星分支。紅巨星是恆星演化過程中變得巨大且溫度冷卻的階段。隨著恆星持續膨脹，溫度會逐漸降低，但由於恆星本身極其膨脹，亮度反而會越來越亮。然而，紅巨星的亮度並不能無限制地增加。最終，過於臃腫的恆星將無法承受極限，會拋掉外殼層。
有趣的是，紅巨星能夠保持的最穩定極限是固定的。也就是說，在星團或星系中能觀測到的最亮紅巨星，其亮度大致相當。如果繪製星團或星系中恆星的色等圖，可以看到在最右側長長地垂直分佈著紅巨星分支。天文學家推測該分支最頂端的最大亮度是恆定的。位於紅巨星分支最頂端、作為星系中最亮的紅巨星，本身就起到了一種標準燭光的作用。這種方法被稱為TRGB方法。
本次研究中使用的另一種標準燭光是J-AGB（J區域漸近巨星分支）星。這些恆星因重恆星在漫長的核聚變歲月中積累了大量碳而得名。從化學組成來看，它們的碳含量高於氧，因此也被稱為“碳星”。由於化學特性，碳星在波長比可見光更長的近紅外區域尤為明亮。由於非常明亮，即使身處遙遠星系，捕捉到它們的身影也不太困難。
當然，碳星的亮度並非完全一致，但縱觀目前已觀測到的碳星亮度分佈，以特定的平均亮度為基準，它們呈現出相當規整的正態分佈。因此，天文學家們在考慮到少許統計誤差的情況下，將其作為一種可以推斷實際亮度的輔助標準燭光。碳星在詹姆斯·韋布觀測中尤為有利，原因正是該望遠鏡恰好觀測的是近紅外波段。
弗裡德曼將研究團隊分為三組，分別對應造父變星、TRGB和碳星這三種標準燭光。並讓每組選擇一種標準燭光，重新計算10個星系的距離。有趣的是，弗裡德曼嚴格管理各團隊，確保他們互不共享資訊。為了公正比較，在最終結果公佈前，各團隊互不知曉彼此的研究進展，進行了一種“盲測”。最終，研究團隊結束各自計算並彙總結果，其結果非常引人注目。
僅利用造父變星得出的宇宙膨脹率結果為72.5 km/s/Mpc，這與長期以來根據星系退行現象推測出的宇宙膨脹率相似。然而，用其他兩種標準燭光測得的結果卻大相徑庭。TRGB得出的結果為69.85 km/s/Mpc，碳星（J-AGB）得出的結果為67.96 km/s/Mpc。將三個值取平均，大約為69.96±2 km/s/Mpc。
有趣的是，除了造父變星，利用TRGB和碳星得出的結果，與透過宇宙微波背景輻射觀測推測出的69 km/s/Mpc的宇宙膨脹率竟然出奇地吻合！
起初，“哈勃張力”（Hubble tension）這一謎團之所以引起爭議，是因為透過宇宙微波背景輻射得出的膨脹率與透過比較星系距離和退行速度得出的膨脹率之間存在差異。但正如弗裡德曼的研究所示，如果利用非造父變星的其他兩種標準燭光——TRGB和碳星來測量星系距離，哈勃張力就會清脆地消失！無論是透過星系推測，還是透過宇宙微波背景觀測推測，宇宙膨脹率都維持在69 km/s/Mpc左右。資料出現偏差的情況，只有在使用造父變星推測星系距離時才發生。
簡單總結就是，面對同一個星系，根據所使用的標準燭光不同，得出的星系距離也會略有差異。這難道不令人困惑嗎？為什麼會出現這樣的問題呢？
對此，弗裡德曼提出了一種可能性，即利用造父變星的測距法可能存在一定缺陷。如果變星周圍存在大量遮擋星光的塵埃雲，可能會對觀測到的恆星亮度產生很大影響。此外，造父變星若過於密集，兩三顆恆星可能被視作一顆恆星而導致觀測失真；根據恆星所含重元素丰度的不同，其亮度和溫度也有變化的風險。她解釋說，如果我們不考慮這些細緻的恆星物理學，僅僅將造父變星視為一種過於方便的標準燭光，那麼我們推測出的星系距離可能會產生巨大誤差。
弗裡德曼提出的質疑需要被嚴肅對待。因為在支撐我們逐級丈量宇宙尺度的距離階梯中，造父變星實際上佔據了幾乎第一步的壓倒性地位。如果利用造父變星測距的方法論本身存在不可忽視的問題，那麼堆疊在其上的其他測距方法的刻度也將面臨需要更細緻調整的問題。
然而，弗裡德曼的論文發表後，約翰斯·霍普金斯大學的天文學家亞當·里斯（Adam Riess）立即提出了反駁。他曾因透過Ia型超新星觀測發現宇宙正在加速膨脹而獲得諾貝爾物理學獎。目前，他正領導著旨在透過觀測更多星系和超新星來精確計算宇宙膨脹率的“暗能量狀態方程超新星及哈勃常數觀測專案”（SHOES）。
里斯提出質疑，認為弗裡德曼僅憑10個星系的比較結果進行了過度解讀。例如，他主張如果收集更多資料，包括他研究團隊用哈勃空間望遠鏡觀測的42個星系進行分析，那麼用造父變星得出的結果也將與用其他標準燭光得出的結果沒有太大差異。
另一方面，弗裡德曼對亞當·里斯的反駁進行了再反駁，她解釋稱，為了在統計上保持公正比較，他們僅對由詹姆斯·韋布望遠鏡完成觀測的10個星系進行了分析。但對此，里斯又再次提出了反駁，指出他的SHOES研究團隊曾確認過利用造父變星和TRGB得出的星系距離是一致的。
弗裡德曼和里斯之間的爭論比作為本次研究起因的古典“哈勃張力”爭議更為令人困惑。因為面對同一臺望遠鏡觀測到的相同資料，兩個研究團隊卻提出了完全不同的主張。
如果弗裡德曼的主張屬實，那麼一直困擾天文學家的“哈勃張力”謎團可能會出人意料地簡單化解。並不需要動搖暗物質和暗能量根基的重大物理學改變。僅僅是因為當初用造父變星測量的星系距離存在一定誤差，才導致其與宇宙微波背景輻射推測的膨脹率不符。然而，這反而引發了更令人困擾的憂慮：這意味著過去用造父變星測量的星系距離全都面臨需要重新調整的問題。
反之，如果里斯的主張屬實，那麼“哈勃張力”最終仍將懸而未決。我們將在沒有任何進展的情況下，繼續面對這令人壓抑的現狀。但幸運的是，我們可以放心，利用造父變星計算的星系距離並沒有大問題。我們將繼續像過去一樣，用造父變星丈量宇宙尺度，並調整距離階梯的臺階。
兩名特定天文學家站在前臺激烈地交換論文和回應。我們的宇宙究竟更接近誰的構想？20世紀未完的課題在21世紀引發的這場更激烈的宏大爭論，最終將如何收場呢？
參考
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（音譯）是誰？他熱愛貓與宇宙。童年時看過《銀河鐵道999》後，便萌生了讓人們瞭解宇宙之美的夢想。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過星系相互作用的演化，並從事講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（恆星，光的科學）等書籍。