星系间距离的两个标准测量之间的分歧可能预示着物理学的复兴——或者是我们对宇宙进化研究的深刻缺陷。
由哈勃太空望远镜所观测到的螺旋星系NGC4258。对这个星系和其他许多星系的研究表明，基于标准的宇宙模型，宇宙的膨胀速度比预期的要快。
一场关于天文测量的争论即将成为我们如何理解宇宙的一场全面危机。两个数据集——一个来自近140亿年前的新生宇宙，另一个来自我们今天所看到的恒星——对一个看似简单的问题给出了矛盾的答案：宇宙膨胀的速度有多快？
答案之间的差距只有9%，但远远超过了每个数据集的估计不确定性。在这一差距的每一边，研究人员都称其为“紧张”，并对他们的观察结果进行了深入研究。这种紧张是科学梦想和噩梦的素材。它暗示着，在某种程度上，我们对自然法则的理解可能存在根本性的缺陷——可能对物理学产生深远的影响，甚至可能是所有事物的命运。
约翰霍普金斯大学和太空望远镜科学研究所的天体物理学家亚当里斯说：“如果这种紧张不是偶然的，也不是测量中的错误，那就意味着我们在模型中遗漏了一些东西。”“对早期宇宙进行测量，然后将其与今天的宇宙进行比较，是对我们构建的整个宇宙的整个故事的端对端测试。问题是，如果某件事肯定不合适，我们不知道这个故事到底在哪里发散。”
关于宇宙膨胀率的问题的答案叫做哈勃常数，它是以天文学家埃德温哈勃的名字命名的，他在20世纪20年代发现宇宙正在膨胀。星系以与它们的距离成比例的速度远离我们，它们离我们越远，速度就越快。哈勃常数将宇宙距离和速度之间的关系进行了编纂。但在这样做的过程中，它揭示了更多的东西，不仅让天文学家们感兴趣，而且对宇宙学家和物理学家也有兴趣。因为这个常数代表了宇宙漫长历史上任何特定时刻的膨胀率，随着时间的推移，测量它的价值，提供了一个关于宇宙如何演化的广阔视野，为研究人员提供了关于我们宇宙起源和未来的关键线索。不知怎么的，数十亿的向外的星系也感受到了从后视镜中所有东西的集体引力，试图把它们拉回来。哈勃常数反映了宇宙中所有物质的总和，以及作用于它的力——考虑到重力或空间是否最终会赢得这场星际间的拉锯战。
宇宙的内容最终可能会逆转这种膨胀——一种被称为“大危机”的场景，在这个场景中，引力将所有东西拉回一个无限热的密度点，就像诞生大爆炸的那个点一样。或者，宇宙可能会无限期地扩张，在“大寒”中变得越来越冷和倦怠，提供无尽的空间和时间——但最终几乎没有什么可做的。或者仅仅是宇宙膨胀将会急剧加速，变得如此难以控制，以至于它会把所有的骑手都花光。这样一个加速的宇宙可能会被星系、恒星、行星、原子和亚原子粒子所控制，直到现实的结构本身在一个“大撕裂”的裂缝中裂开，几乎什么也没有留下。宇宙会以火、冰还是空来结束？哈勃常数知道——但在紧张局势得到解决之前，答案还不清楚。
哈勃太空望远镜拍摄的仙王座变星RS Puppis。天文学家使用造父变星和超新星来测量宇宙的膨胀率。
“这是最重要的宇宙学参数，”芝加哥大学的天体物理学家温迪弗里德曼说，她的职业生涯一直在追求哈勃常数。“它是锚，因为它对很多东西的影响最大。”这是一个真正重要的衡量标准。“在20世纪90年代和21世纪初，弗里德曼率领一个团队使用了哈勃太空望远镜，提供了当时最完美的测量数据。其他的一些人则一直在改进。
在过去的十年里，里斯一直走在这一努力的前沿，领导了一个天文学家团队，他们在地面和太空中使用望远镜，在一个叫做“SH0ES”的项目中进一步改进对哈勃常数的估计（不要问）。
SH0ES的选择目标是被称为Ia型超新星的爆炸恒星。这些爆炸的恒星在整个宇宙中闪烁着近乎相同的亮度，使它们成为理想的“标准烛光”，用来测量距离其他星系的距离。通过了解Ia实际上是多么的明亮，而在他们的望远镜中看起来有多明亮，科学家们可以计算出地球和遥远的恒星灾难之间的空间。他们还可以测量每颗超新星的红移——超新星和地球之间的空间扩张将超新星的光拉伸到更长的、更红的波长。然后，他们通过比较散布在宇宙各处的许多超新星的红移和亮度来估计膨胀的速度。然而，为了校准他们的超新星测量数据，SH0ES团队也使用了另一种标准的蜡烛：造父变星，它周期性地与他们的光度有关，并在银河系附近提供更高级的距离测量。
将超新星和造父变星的数据配对，使得SH0ES团队能够对哈勃常数做出更精确的估计，将测量误差从2009年的5%降低到2016年的2.4%。他们的最新努力，利用来自欧洲航天局（ESA）盖亚宇宙飞船的新的和改进的造父变星的距离数据，将不确定性降低到2.2%。多年来，SH0ES团队对哈勃常数的计算一直保持着惊人的一致性：根据超新星和造父变星的说法，宇宙正在以每秒73.5公里的速度扩张（大约330万光年）。也就是说，在我们和另一个星系之间的每330万光年的空间中，后者将以每秒73.5公里的速度后退。
这种紧张来自于另一艘ESA飞船——普朗克望远镜所做的独立测量。从2009年到2013年，普朗克创造了一幅前所未有的宇宙微波背景图（CMB），这是宇宙大爆炸最初的火球的余辉，当时宇宙只有38万年的历史。普朗克小组从那个逝去的时代衍生出了哈勃常数，首先对声波的大小和运动进行建模，这些声波应该在充满早期宇宙的带电粒子的汤中产生涟漪。接下来，他们将这些估算与在CMB上的实际回声进行比较。这一比较既提供了对CMB的距离，也提供了其特征的标量维度，使普朗克小组能够以每秒67.3千米/秒的速度将原始宇宙的膨胀率时钟计时。这一估计，以及其显著的误差幅度仅为1%，关键在于公认的宇宙学的“标准模型”——这是一种类似于“组合”的理论结构，有力地预测了宇宙微波背景和当代宇宙的许多观测特征。
里斯说：“这就像儿科医生的测量和计算，你的孩子最终会有6英尺高，但你的孩子最终会长到6英尺半。”“这意味着其他的事情正在发生——也许你的孩子有生长突增或者注射激素。”在这种情况下，这是我们最好的宇宙模型的物理模型提供了生长图。但是谁会说我们真的有这个权利呢？”通过盖亚的造父变星距离测量，现在已经通过了另一项测试，而哈勃常数测量的几率仅为1/7000。物理学家通常认为，当达到百万分之一的统计可能性时，测量就会很重要;目前，SH0ES的结果还没有达到这个崇高的标准，但一直在越来越近。与此同时，普朗克小组也没有放弃;团队成员一致认为，其结果的有效性是无懈可击的。
普朗克宇宙飞船的全天空地图，宇宙微波背景（CMB）的变化，这是宇宙中最古老的可观测光。对宇宙膨胀率的估计来自于普朗克的数据与来自超新星和其他来源的数据冲突。
这并不是宇宙膨胀第一次让科学家们困惑。在20世纪20年代，这一扩张本身让大多数研究人员感到震惊，尤其是阿尔伯特爱因斯坦。与他对静态宇宙的偏好相反，爱因斯坦的广义相对论预言了一个不可避免地膨胀或崩溃的宇宙。为了“解决”这个问题，他在他的计算中加入了一个新术语：一种反重力，足以使所有空间都能保持宇宙平衡。爱因斯坦首先将其命名为“宇宙常数”——但后来被称为“最大的错误”，这是哈勃发现的。从20世纪90年代开始，爱因斯坦最初的直觉就被证明是正确的，当时里斯和其他天文学家发现遥远的Ia型超新星比预期的更暗（因而更远）。一种神秘的“暗能量”似乎正在导致宇宙膨胀加速;也许，许多物理学家推测，暗能量和宇宙常数是一样的。来自CMB和其他来源的测量迅速证实了暗能量的存在，如果不是它的确切性质，结果是里斯和另外两个人获得了2011年的诺贝尔物理学奖。
因为它的影响将均匀地分布在所有的空间中，因为空间本身膨胀宇宙常数会变得更强大，加速加速的速度，产生一个大的寒气或大撕裂作为宇宙的最终命运。但是，这种提升似乎仍然不能满足哈勃常数，即SH0ES团队和其他小组今天在宇宙中观察到的。因此，里斯推测，目前的张力可能是由于暗能量不是爱因斯坦的宇宙常数（尽管他加速添加这样的场景并没有得到在CMB和现在之间的星系观测的强烈支持）。如果暗能量不是爱因斯坦的宇宙常数，它可能会加速加速，从而缓解紧张。从理论上讲，这种非标准形式的暗能量也会极大地减少甚至逆转它在未来的影响，从而使宇宙仍有可能经历一场大的危机。
其他的推测也存在于这种紧张关系中，每一条路径研究者都必须通过迷宫般的可能性来决定宇宙的最终命运。它们包括尚未发现的快速移动的亚原子粒子，隐藏的“额外”维度的影响，或与暗物质的各种相互作用——仅举几个例子。可能是超过标准模型的一种以上的物理现象，在哈勃常数估计与宇宙的两端之间的明显张力中发挥了作用。
然而，一些怀疑论者认为，最可能的解释是在测量中所犯的错误。普朗克小组的团队，特别是，在校准造父变和Ia型超新星的错误中，可能是造成这种紧张的原因。
加州大学戴维斯分校的普朗克小组成员劳埃德诺克斯说：“我们不知道答案是什么，但实际上并没有任何理论解释是非常合理的。”“仅仅是为了我自己，如果我必须把钱放在任何东西上，我仍然认为这种张力是在现代宇宙中直接测量哈勃常数的系统错误。”例如，诺克斯说，遥远星系的背景恒星发出的强光会污染造父变星的亮度测量，破坏天文学家在其底部附近的摇摇晃晃的宇宙距离阶梯，并放弃更远距离的依赖测量。相比之下，诺克斯和其他一些人注意到，普朗克小组对哈勃常数的推导与多个非常有力的独立证据线相一致——例如大爆炸后最初的几分钟内产生的大规模星系团和观测到的光元素比率。诺克斯说，普朗克的研究结果也通过使用南极望远镜的后续CMB研究得到验证。
里斯认为，由SH0ES和其他团队所做的测试表明，背景恒星并不是造父变星测量的重要错误来源。此外，SH0ES的结果本身就有大量的确凿数据：与超新星和造父变星分离，在今天的宇宙中，其他对哈勃常数的测量值接近于SH0ES发现的73.5。在2017年，一个被称为H0LiCOW的国际团队（再次，不要问）以每秒到每百万内72公里的速度记录哈勃常数。他们这样做是通过测量来自遥远星系的光线的延迟到达时间，因为光线在空间中的各种路径被靠近地球的巨大星系所扭曲。
这一剪辑显示了来自5个背景星系的光，这些星系被巨大的前景星系所扭曲。这种扭曲导致背景星系以多重图像出现。H0LiCOW合作的科学家们研究了这些天体以独立测量宇宙的膨胀与早期的基于超新星和造父变星的估计相一致。
加州大学洛杉矶分校的天体物理学家托马索特罗说，这一结果完全基于基本的几何学和爱因斯坦的广义相对论，因此完全独立于那些可能会导致硫或普朗克测量的因素。“结合SH0ES的结果，这增加了紧张的证据，”Treu说。
综上所述，里斯认为支持他的结果的证据几乎是压倒性的。他说，如果这是错误的，就需要“一种错误的阴谋——多重错误，每一种方法都是错误的，它们是独立的，但也有一些恶意的东西，它们的大小和方向都是一样的。”就像爱因斯坦说的，“上帝是微妙的，但他不是恶意的。”
普林斯顿大学和Flatiron研究所的天体物理学家David Spergel认为，现在是时候让双方的团队承认他们数据中的不确定性可能比之前认为的要大。“从历史上看，天文学家和宇宙学家都低估了他们的错误;我认为这里的测量也是如此，”他说。
一项决议可能即将出台。Spergel是美国宇航局的广域红外巡天望远镜（WFIRST）的主要科学家之一，该望远镜计划于本世纪20年代发射，其主要目标是研究暗能量。欧洲航天局正在计划一个类似的任务——欧几里得计划，它将补充WFIRST的研究。这些任务可以通过澄清暗能量是否像爱因斯坦的宇宙常数或者其他完全不同的东西来帮助解决紧张关系。美国国家航空航天局的詹姆斯韦伯太空望远镜计划最早于2020年发射，它也可以提供大量的新观测数据来限制这个常数，就像盖亚在2020年及以后发布的数据一样。大约在同一时间，其他的新技术也可能会成熟。这将依赖于对以前无法进入的恒星群的调查，甚至是对大量碰撞中子星的引力波的观察，以获得对哈勃常数的额外独立测量。
然而，就目前而言，这种紧张依然存在——这是一种象征意义上的象征，象征着我们对宇宙的理解正在加速，以及我们还需要走多远。
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