作者内森·柯林斯，美国国家加速器实验室 如果一切都排列得恰到好处，星系的引力可以将来自遥远类星体的光弯曲成四个独立的图像
如果形成这些图像的光线沿着稍微不同长度的路径到达我们这里，研究人员可以测量路径之间的时间延迟，并推断出到星系和遥远类星体的距离
(插图:马丁·米隆/瑞士洛桑联邦理工学院
信用:星系和类星体图像:哈勃太空望远镜/美国宇航局 宇宙正在膨胀，但天体物理学家不确定膨胀的速度到底有多快——不是因为没有答案，而是因为他们能给出的答案不一致
现在，斯坦福大学博士后研究员西蒙·比尔勒和能源部SLAC国家加速器实验室的卡弗利粒子物理和天体物理研究所以及一个国际研究小组有了一个新的答案，一旦用更多的数据进行提炼，可能有助于解决这个争论
这个新的答案是对一种叫做时间延迟宇宙学的方法的重新审视的结果，这种方法有新的假设和额外的数据，以得出对哈勃常数的新的估计，哈勃常数是宇宙膨胀的一种度量
比尔和他的同事在11月20日的《天文学和天体物理学》杂志上发表了他们的结果
“这是一个大型团队长达十年的成功努力的延续，对我们分析的某些关键方面进行了重新设置，”比尔说，并提醒我们“我们应该永远重新考虑我们的假设”
我们最近的工作正是本着这种精神
" 距离、速度和声音 近一个世纪以来，宇宙学家已经知道宇宙正在膨胀，在这段时间里，他们确定了测量这种膨胀的两种主要方法
一种方法是宇宙距离阶梯，这是一系列帮助估算到遥远超新星的距离的步骤
通过检查这些超新星的光谱，科学家可以计算出它们离我们有多远，然后除以距离来估计哈勃常数
(哈勃常数通常以每秒千米/百万秒来衡量，反映了空间本身正在增长的事实，因此距离我们更远的物体比距离我们更近的物体后退得更快
) 天体物理学家也可以通过宇宙微波背景辐射的波动来估计常数
这些波纹是在早期宇宙中声波通过等离子体传播的结果
通过测量波纹的大小，他们可以推断出我们今天看到的CMB光是在多长时间和多远的地方产生的
根据公认的宇宙学理论，研究人员可以估算宇宙膨胀的速度
然而，这两种方法都有缺点
声波方法在很大程度上依赖于声音在早期宇宙中是如何传播的，这反过来又依赖于当时物质类型的特定组合，依赖于声波在CMB上留下印记之前传播了多长时间，以及自那时以来对宇宙膨胀的假设
与此同时，宇宙距离阶梯方法将一系列的估计联系在一起，首先是到太阳距离的雷达估计和到被称为造父变星的脉动恒星距离的视差估计
这就引入了一系列的校准和测量，每一项都需要足够精确，以确保对哈勃常数的可靠估计
(上图)一个巨大星系(中心物体)的引力使来自遥远类星体的光线在四条路径上弯曲，产生了同一类星体的四幅图像
由于每条路径的长度略有不同，光线在路径中穿行所需的时间也不同，因此图像看起来会彼此略微不同步地闪烁
(下图)四个类星体图像随时间变化的幅度或亮度图
信用:M
米隆和福
库宾/瑞士洛桑联邦理工学院 过去的镜头 但是有一种方法可以更直接地测量距离，基于所谓的强引力透镜
重力使时空本身弯曲，随之光穿过宇宙的路径也弯曲
一个特殊的情况是，当一个非常巨大的物体，比如一个星系，弯曲周围一个遥远物体的光线，使得光线沿着多个不同的路径到达我们这里，有效地创建了同一个背景物体的多个图像
一个特别美丽的例子是，当远处的物体随着时间的推移而变化时——例如，吸积的超大质量黑洞，即类星体，就是这样
因为光沿着透镜星系的每条路径传播的时间略有不同，所以结果是同一闪烁的多个图像略微不同步
这种现象不仅仅是美丽的
早在20世纪60年代，爱因斯坦引力理论——广义相对论的学生们就表明，他们可以使用强引力透镜和它们弯曲的光线来更直接地测量宇宙距离——如果他们能够足够精确地测量每条路径上的相对时间，如果他们知道透镜星系中的物质是如何分布的
Birrer说，在过去的十年里，测量变得足够精确，可以采用这种方法，延时宇宙学，从想法到现实
现在隶属于联合伞式组织TDCOSMO的H0LiCOW、COSMOGRAIL、STREADS和SHARP团队的连续测量和不懈努力，最终实现了精确的哈勃常数测量，精度为2%，约为每秒73公里
这与用局部距离阶梯法作出的估计相一致，但与标准宇宙模型假设下的宇宙微波背景测量相矛盾
星系质量分布假设 但是比尔有些不太对劲:先前研究所依赖的星系结构模型可能不够精确，不足以得出哈勃常数不同于基于宇宙微波背景的估计值的结论
“我去找我的同事说，‘我想进行一项不依赖这些假设的研究，’”比尔说
取而代之的是，比尔提议研究一系列额外的引力透镜，对透镜星系的质量和结构做出更具观测基础的估计，以取代以前的假设
比尔勒说，比尔勒和他的团队TDCOSMO正在进行的新项目是故意保持盲态的——这意味着整个分析是在不知道哈勃常数的结果的情况下进行的——以避免实验者的偏见，这是团队先前分析中已经建立的程序，也是前进过程中不可或缺的一部分。
基于这一新的分析，该团队在以前的研究中对七个具有时间延迟的透镜星系应用了少得多的假设，该团队得出了更高的哈勃常数值，约为每秒74公里，但具有更大的不确定性——足以使它们的值与哈勃常数的高低估计一致
然而，当Birrer和TDCOSMO增加了33个具有类似性质的附加透镜——但没有一个可变源来直接用于时间延迟宇宙学——用于估计银河结构时，哈勃常数的估计下降到每秒67公里/百万帕秒，不确定性为5%，与诸如来自CMB的声波估计值非常一致，但在统计上也与以前的确定值一致，因为存在不确定性
伯勒说，这一实质性的转变并不意味着关于哈勃常数的争论已经结束——远远没有结束
一方面，他的方法引入了新的不确定性，这种不确定性与分析中增加的33个额外透镜有关，而且TDCOSMO将需要更多的数据来证实他们的结果，尽管这些数据可能在不久的将来会出现
比尔:“虽然我们的新分析没有从统计上否定我们以前工作的质量剖面假设，但它证明了理解星系内质量分布的重要性，”他说
“我们现在正在收集数据，这些数据将使我们能够获得以前基于更强假设而获得的大部分精度
展望未来，我们还将从鲁宾天文台遗留的空间和时间调查中获得更多的透镜星系的图像，以改进我们的估计
我们目前的分析只是第一步，并为利用这些即将到来的数据集来提供关于剩余问题的明确结论铺平了道路
"
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