引力透鏡可以更好估測宇宙膨脹速度

宇宙正在膨脹，但天體物理學家不確定究竟發生了多快？不是因為沒有答案，而是因為他們可能給出的答案不一致。

圖註：如果一切都正確排列，星系的引力可以將來自遙遠類星體的光線彎曲成四個單獨的圖像。而且，如果形成這些圖像的光沿著長度略有不同的路逕到達我們，研究人員可以測量路徑之間的時間延遲，並推斷出到銀河系和遙遠類星體的距離。

現在，史丹福大學和能源部SLAC國家加速器實驗室的卡夫裡粒子物理與天體物理研究所的博士後研究員西蒙·比勒（Simon Birrer）和一個國際研究人員團隊有了一個新的答案，一旦有了更多數據，就可能有助於解決這場爭論。

這個新的答案是重新研究具有數十年歷史的方法稱為時延宇宙學的結果，該方法具有新的假設和附加數據，以得出對哈勃常數的新估計，這是對宇宙膨脹的一種度量。 比勒及其同事於11月20日在《天文學與天體物理學》雜誌上發表了他們的研究結果。

「這是大型團隊十年來巨大成功的努力地延續，我們對分析的某些關鍵方面進行了重新設置，」 比勒說。 他提醒「我們應該始終重新考慮我們的假設，我們最近的工作正是本著這種精神」。

距離、速度和聲音

宇宙學家近一個世紀以來就知道宇宙正在膨脹，而在那時，他們已經確定了兩種主要方法來測量宇宙的膨脹。一種方法是宇宙距離階梯，這是一系列步驟，可幫助估計距遙遠超新星的距離，通過檢查這些超新星發出的光譜，科學家可以計算出它們從我們後退的速度，然後除以距離即可估算出哈勃常數。 [哈勃常數通常以（km/s)/Mpc(Mpc表示百萬秒差距，大約為300萬光年)為單位，反映了空間本身正在增長的事實，因此距離較遠的物體比距離較近的物體更快地退離我們。]

天體物理學家還可以根據宇宙微波背景輻射或CMB中的波動估算常數。這些波是由聲波在早期宇宙中通過等離子體傳播而產生的。通過測量波的大小，他們可以推斷出我們今天看到的CMB是多久之前產生以及距離我們多遠。利用成熟的宇宙學理論，研究人員可以估算出宇宙膨脹的速度。

但是，兩種方法都有缺點。聲波方法在很大程度上取決於聲音在早期宇宙中的傳播方式，而後者又取決於當時特定類型的物質混合，聲波在其烙印到CMB上之前傳播了多長時間，以及對噪聲的假設。自那時以來，宇宙膨脹。同時，宇宙距離階梯方法將一系列估計值連接在一起，從雷達估計到太陽的距離和視差估計到脈動星的距離（即造父變星）開始。這引入了一系列的校準和測量，每個校準和測量都必須足夠精確，以確保可靠地估計哈勃常數。

圖註：（上）巨大的星系（中心物體）的引力將來自遙遠類星體的光線沿四個路徑彎曲，從而產生了同一類星體的四幅圖像（A–D）。由於每個路徑的長度略有不同，因此光在路徑上移動所花費的時間會有所不同，因此圖像看起來會略微閃爍，彼此之間不同步。（底部）隨時間變化的四個類星體圖像的大小或亮度的圖表。

但是，有一種方法可以基於所謂的強引力透鏡來更直接地測量距離。引力本身會彎曲時空，光會通過它穿過宇宙。一種特殊情況是，非常大的天體（例如銀河系）將遙遠天體的光線彎曲，從而使光線沿多個不同路逕到達我們，從而有效地創建了同一背景物體的多個圖像。一個特別漂亮的例子是遠處的物體隨時間變化時，例如，像超星體一樣，積聚了超大質量黑洞。因為光線沿著繞著銀河系的每個路徑傳播的時間量略有不同，所以結果是同一閃爍的多個略微不同步的圖像。

早在1960年代，愛因斯坦的引力論，廣義相對論的研究者就表明，他們可以使用結實的引力透鏡和彎曲的光線來更直接地測量宇宙距離——如果他們可以足夠精確地測量沿每條路徑的相對時間，並且知道鏡頭星系中的物質分布情況。

比勒說，在過去的十年中，測量變得足夠精確，可以採用這種方法，即從概念到現實的時延宇宙學。H0LiCOW、COSMOGRAIL、STRIDES和SHARP團隊（現已由TDCOSMO聯合組織）進行了連續的測量並付出了不懈的努力，最終實現了精確的哈勃常數測量，精確度為2％，測量哈勃常數為73（km/s)/Mpc。這與使用局部距離階梯法進行的估計是一致的，但與標準宇宙學模型假設下的宇宙微波背景測量值存在矛盾。

星系質量分布假設

但是比勒並不滿意：先前研究所依賴的星繫結構模型可能不夠準確，無法得出哈勃常數與基於宇宙微波背景的估計不同的結論。比勒說：「我去找同事說，'我想進行的研究不依賴那些假設。『」

取而代之的是，比勒（Birrer）提議研究一系列附加的引力透鏡，以對透鏡星系的質量和結構進行更多基於觀察的估計，以代替先前的假設。比勒說，他和團隊TDCOSMO所從事的新途徑處於盲目狀態——意味著整個分析是在不知道哈勃常數的結果的情況下進行的——為了避免實驗者的偏見，這個程序在之前對團隊的分析中已經確立，也是前進中不可或缺的一部分。

根據這一新分析，該團隊在先前的研究中分析的對7個透鏡星系的假設明顯減少，從而發現了哈勃常數的更高值，即（km/s)/Mpc，但不確定性更大——足以使它們的值與哈勃常數的高低估計值一致。

但是，當比勒和TDCOSMO添加了33個具有類似屬性的鏡頭（但沒有直接用於時延宇宙學的可變源）用於估算銀河結構時，哈勃常數的估算值下降到了67（km/s)/Mpc，不確定性為5％，與聲波估計（如CMB的估計）非常吻合，但在統計上也與先前的確定一致。

比勒說，這種重大轉變並不意味著關於哈勃常數值的爭論已經結束了——遠非如此。一方面，他的方法將新的不確定性引入了與添加到分析中的33個附加透鏡相關的估計中，並且TDCOSMO將需要更多數據來確認其結果，儘管該數據可能不會遙遙無期。

​「雖然我們的新分析並未從統計學上使我們先前工作的質量分布假設無效，但它表明了了解星系中質量分布的重要性。」比勒說，「我們現在正在收集數據，這些數據將使我們能夠基於更強有力的假設獲得以前實現的所有精度。展望未來，我們還將獲得來自魯賓天文臺太空遺產調查的更多鏡頭星系的圖像，以改善我們的估計。我們目前的分析只是第一步，並為利用這些即將發布的數據集，來提供關於解決剩餘問題的明確結論鋪平了道路。」