宇宙膨胀的速度，被称为哈勃常数，是理解宇宙演化和最终命运的基本信息参数之一。然而，在用各种独立距离指示器测量的常数值与其从大爆炸余辉预测的值之间能够正常的看到一种称为“哈勃张力”的持续差异。美国宇航局NIRCam（近红外相机）和哈勃的WFC3（宽视场相机3）的综合观测显示了螺旋星系NGC 5584，它距离地球7200万光年。NGC 5584的发光恒星中有被称为造父变星和Ia型超新星的脉动恒星，这是一类特殊的爆炸恒星。天文学家使用造父变星和Ia型超新星作为可靠的距离标记来测量宇宙的膨胀率。图片来自：NASA、ESA、CSA、和 A. Riess （STScI）。
宇宙膨胀的速度，被称为哈勃常数，是理解宇宙演化和最终命运的基本信息参数之一。然而，在用各种独立距离指示器测量的常数值与其从大爆炸余辉预测的值之间能够正常的看到一种称为“哈勃张力”的持续差异。
美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜提供了新的能力来仔细检查和完善这种紧张关系的一些最有力的观测证据。来自约翰霍普金斯大学和太空望远镜科学研究所的诺贝尔奖获得者亚当·里斯（Adam Riess）介绍了他和他的同事最近使用韦伯观测来提高哈勃常数局部测量精度的工作：
“你有没有挣扎过看到一个在你视野边缘的迹象？它说了什么？啥意思？即使使用最强大的望远镜，天文学家想要阅读的迹象也显得这么之小，以至于我们也在挣扎。
“宇宙学家想要阅读的标志是一个宇宙限速标志，它告诉我们宇宙膨胀的速度有多快 - 一个称为哈勃常数的数字。我们的星座写在遥远星系的恒星上。这些星系中某些恒星的亮度告诉我们它们有多远，从而告诉我们这些光已经传播了多少时间到达我们，星系的红移告诉我们宇宙在最近一段时间内膨胀了多少，从而告诉我们膨胀率。
这张图说明了美国宇航局的哈勃和韦伯太空望远镜在确定一类特殊变星的精确距离方面的综合能力，该变星用于校准宇宙的膨胀率。这些造父变星出现在拥挤的星域中。来自周围恒星的光污染可能会使造父变星亮度的测量不那么精确。韦伯更清晰的红外视觉允许造父变星目标与周围的恒星更清晰地隔离，如图的右侧所示。韦伯数据证实了哈勃望远镜30年来对造父变星的观测的准确性，这对于建立测量宇宙膨胀率的宇宙距离阶梯的底部梯级至关重要。在左边，NGC 5584出现在韦伯的NIRCam（近红外相机）和哈勃的宽视场相机3的合成图像中。图片来自：NASA，ESA，A. Riess （STScI），W. Yuan （STScI）。
“一类特殊的恒星，造父变星，一个多世纪以来为咱们提供了最精确的距离测量，因为这些恒星非常明亮：它们是超巨星，是太阳光度的十万倍。更重要的是，它们在几周内脉动（即膨胀和收缩大小），这表明它们的相对亮度。周期越长，它们本质上就越亮。
“它们是测量一亿或更多光年外星系距离的黄金标准工具，这是确定哈勃常数的关键步骤。不幸的是，星系中的恒星挤在我们遥远的有利位置的狭窄拥挤的空间中，因此我们大家常常缺乏将它们与视线邻居分开的分辨率。
“建造哈勃太空望远镜的一个主要理由是解决这一个问题。在哈勃望远镜1990年发射和随后的造父变星测量之前，宇宙的膨胀速度是如此不确定，以至于天文学家不确定宇宙是不是已经膨胀了100亿年或200亿年。这是因为更快的膨胀率将导致宇宙的年龄更年轻，而较慢的膨胀率将导致宇宙的年龄变大。
“哈勃望远镜比任何地面望远镜都有更好的可见波长分辨率，因为它位于地球大气层的模糊效应之上。因此，它可以识别距离超过一亿光年的星系中的单个造父变星，并测量它们改变亮度的时间间隔。
“然而，我们还必须在光谱的近红外部分观察造父变星，以观察毫发无损地穿过中间尘埃的光。（灰尘吸收并散射蓝光，使远处的物体看上去很微弱，并欺骗我们始终相信它们比实际更远）。
“不幸的是，哈勃的红光视觉并不像它的蓝色那么清晰，所以我们在那里看到的造父变星光在其视野中与其他恒星混合在一起。我们大家可以从统计学上解释平均混合量，就像医生通过从体重秤读数中减去衣服的平均重量来计算您的体重一样，但这样做会增加测量的噪音。有些人的衣服比其他人重。
“然而，敏锐的红外视觉是詹姆斯韦伯太空望远镜的超能力之一。凭借其大镜子和灵敏的光学元件，它可以很容易地将造父变星的光与邻近的恒星分开，基本上没有混合。在韦伯使用我们的通用观察员计划1685的第一年，我们收集了哈勃望远镜沿着所谓的宇宙距离阶梯在两级台阶上发现的造父变星的观测结果。
“第一步是观察具有已知几何距离的星系中的造父变星，这使我们也可以校准造父变星的真实亮度。对我们的计划，该星系是NGC 4258。第二步是在最近的Ia型超新星的宿主星系中观察造父变星。
“前两个步骤的结合将距离的知识转移到超新星，以校准它们的真实亮度。第三步是观察那些遥远的超新星，那里的宇宙膨胀是明显的，能够最终靠比较从它们的亮度推断的距离和超新星宿主星系的红移来测量。这一系列步骤被称为距离阶梯。
用于测量距离的造父变星周期-光度关系的比较。红点来自NASA的韦伯，灰色点来自NASA的哈勃。顶部面板是Ia型超新星宿主NGC 5584，插图显示了每个望远镜看到的相同造父变星的图像邮票。下图是NGC 4258，这是一个具有已知几何距离的星系，插图显示了NGC 5584和NGC 4258之间用每个望远镜测量的距离模数差异。这两架望远镜非常一致。图片来自：NASA，ESA，A. Riess（STScI）和G. Anand（STScI）。
“我们最近从第一步和第二步获得了第一次韦伯测量，这使我们也可以完成距离梯，并与哈勃韦伯的先前测量作比较，由于天文台在近红外波长下的分辨率，大幅度减少了造父变星测量中的噪声。
“这种改进是天文学家梦寐以求的！我们在前两个步骤中观察到了320多个造父变星。我们确认早期的哈勃太空望远镜测量是准确的，尽管噪音更大。我们还用韦伯观测了另外四个超新星宿主，我们正真看到整个样本也有类似的结果。
“结果仍旧没办法解释的是，为什么宇宙似乎膨胀得如此之快！我们大家可以通过观察宇宙的婴儿图片，宇宙微波背景来预测宇宙的膨胀率，然后使用我们最好的模型来告诉我们它如何跟着时间的推移而成长，告诉我们今天宇宙应该以多快的速度膨胀。
“事实上，目前对膨胀率的测量大大超过了预测，这是一个长达十年的问题，称为哈勃张力。最令人兴奋的可能性是，张力是我们在理解宇宙时缺少的东西的线索。
“它可能表明存在奇异的暗能量，奇异的暗物质，我们对引力的理解的修正，或者存在独特的粒子或场。更平凡的解释是在同一方向上合谋多个测量误差（天文学家利用独立的步骤排除了单个误差），所以这就是为什么以更高的保真度重做测量如此重要的原因。
“随着韦伯确认哈勃的测量结果，韦伯的测量提供了迄今为止最有力的证据，证明哈勃造父变星光度法的系统误差在目前的哈勃张力中没有发挥及其重要的作用。结果，更多有趣的可能性仍然摆在桌面上，紧张的奥秘加深了。
