碰上令人大吃一驚的事情時，有些人說：「天哪！」其英文 “Holy Cow”。一支追蹤哈伯常數測量的團隊則將自己的計劃取名為”H0LiCOW”，全名為：H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring）。

宇宙膨脹速度到底是多少，這個精確值，對於確認宇宙的年齡、大小、命運非常重要。近年來，探索這一奧秘是天文物理學的一大挑戰。

H0LiCOW的這群天文學者利用美國航太總署（NASA）的哈伯太空望遠鏡以及一種完全獨立於先前其他方法的新技術，測量了宇宙膨脹率（或稱「哈伯常數」）。

最新獲得的這個數值是以「重力透鏡法」所獲得的宇宙膨脹率的最精確測量結果；在這種方法中，前景星系的重力會像巨大的放大鏡一樣，去放大扭曲背景物體的光線。這項最新研究成果與傳統方法不同，傳統上，天文學家藉「宇宙距離階梯法」，把多種恆星當作「公里數告示牌」去精確測量星系距離，但H0LiCOW這項研究成果卻是用了重力透鏡本身具有的新奇物理來計算出宇宙膨脹率。

這項結果，更進一步顯示出，採不同方法推導出的宇宙膨脹率彼此間存有令人不安的差異。

H0LiCOW團隊主持人，中央研究院天文及天文物理研究所訪問學者，現任職於德國馬克斯普朗克天文物理研究中心及德國慕尼黑科技大學的蘇游瑄說：「要是這些結果不一致，那可能暗示著我們還沒完全瞭解物質和能量在宇宙的時間長河裡究竟是怎麼演化來的──特別是在宇宙早期。」

(中央研究院天文及天文物理研究所成果發表，上網時間：2020年1月9日)

天文學者團隊利用美國航太總署（NASA）的哈伯太空望遠鏡，用一種完全獨立於先前其他方法的新技術測量了宇宙膨脹率。

宇宙膨脹速度的精確值對於確知宇宙的年齡、大小和命運很重要。近年來，探索這一奧秘是天文物理學的一大挑戰。最新獲得的研究結果更加證實，科學家可能需要一套新理論來解釋種種發現。

這組研究人員取得的結果更進一步地顯示出，採不同方法推導出的宇宙膨脹率之間存有令人不安的差異，這個膨脹率稱為哈伯常數，是根據本地宇宙測量及根據早期宇宙微波背景輻射（然而該時期宇宙中，星系和恆星都還不存在）預測，經過計算推導而得的數字。

這最新獲得的數值代表了目前為止用「重力透鏡法」所得的最精確測量結果，在這種方法中，前景星系的重力像個巨大的放大鏡，放大扭曲背景物體的光線。他們用的方法與傳統方法不同，傳統上，天文學家靠著「宇宙距離階梯法」這種技術，把多種恆星當作「公里數告示牌」去精確測量星系距離，但這項研究成果卻是用了重力透鏡本身具有的新奇物理來計算出宇宙膨脹率。而他們所用於導出哈伯常數值的這套觀測和分析技術，在過去20年以來已大幅度優化改善。

H0LiCOW和其他最近發表結果的測量頻頻顯示，在本地宇宙測得的宇宙膨脹速度快於普朗克衛星觀測130多億年前宇宙呈現樣貌後得到的預期宇宙膨脹速度。這兩個值之間的差距對於理解宇宙的基本物理參數帶來重要的意義，這種差異意味著物理學可能需要更新才可解釋。

這次成果如何取得？

H0LiCOW團隊用哈伯望遠鏡觀察了六個遙遠的類星體（quasar）發出的光，這些明亮有如探照燈的光是來自於星系中心超大質量黑洞周圍的一些氣體。類星體具備著很多理想的背景天體所需條件：很亮，很遠，散佈在天空中各個方向等。哈伯望遠鏡觀測了每個類星體的光如何在前景星系的重力放大之下形成4個圖像。所研究的前景星系和地球之間的距離是在大約30億到65億光年左右；位於背景的類星體與地球的距離則約在55億光年左右（取平均數）。

每個受透鏡效應彎曲的類星體圖像所發出的光，穿過太空而到達地球，其路徑其實都略微不同，路徑的長度，取決於沿「視線方向」這條路線上所經過的物質量有多少；量多則空間形變多。追蹤每條路徑的方式是，監測類星體的光在其黑洞吞噬物質時的閃爍。這種閃爍的成因源自於每個透鏡化圖像變亮的時間不同。

閃爍的順序，讓研究人員可測量每幅圖像間的時間差是多長。為了充分理解這些時間差，研究小組首先使用哈伯望遠鏡繪製出在每個「透鏡星系」（=「具有透鏡效果的"前景"星系」）裡物質如何分佈的精確地圖。然後，天文學家可以可靠推導得到從星系到類星體、從地球到星系，以及從地球到背景類星體，它們距離是多少。比較這些距離值，也就是在測量宇宙膨脹率。

時間差如何產生的過程，類似於四列火車在完全相同的時間離開同一車站，前往同一目的地，儘管途中速度也維持全部相同，但四列火車卻在不同的時間到達目的地，發生這種情形是因為每列火車走的路線不同，導致走過的距離也有所不同。譬如其中一列火車隨山坡地勢而上下起伏。另一列取道山洞從中穿越，還有一列在群山中左右蛇行。根據到達時間的不同，我們可以推斷出每列火車為了到達同一站所走的不同距離。同樣的，我們可以知道類星體的閃爍也有前有後，它們並不同時出現則是因為，當被透鏡化的類星體的光通過前景星系時，星系裡面稠密物質的重力作用，讓光的路徑產生彎曲，一些光因而被延遲。

和其他宇宙膨脹率的異同

這組研究人員計算出的哈伯常數值為每百萬秒差距每秒73公里(不確定度為2.4%)。這意思是，由於宇宙是加速膨脹的，所以星系與地球之間的距離每增加330萬光年，星系的移動速率會是每秒增加73公里。

這個測量值和另一個團隊所計算的哈伯常數值74接近，該名為SH0ES的團隊用的是宇宙階梯法，用「造父變星」和「超新星」來為距離地球或遠或近的星系測距。

SH0ES的74和H0LiCOW的73，兩者相近，卻與普朗克太空衛星望遠鏡的67差異顯著，加強了哈伯常數在現今宇宙所測量的與基於早期宇宙觀測所獲得的預測值間的緊張。

H0LiCOW團隊組成於2012年，現在擁有哈伯望遠鏡的10個透鏡化類星體以及它們的透鏡星系的圖像，還有時間差資訊。該小組將繼續與兩個新計畫研究團隊合作，尋找並跟蹤新的透鏡化類星體。那兩個團隊，一個是尋找新透鏡化類星體系統的”STRIDES”計畫，另一個是「高角解析力強透鏡計畫」，”SHARP”。SHARP計畫用凱克望遠鏡的自適應光學技術對透鏡系統成像。H0LiCOW團隊的目標是再多觀測30個透鏡化類星體系統，將不確定性由2.4%降低至1%。

美國NASA預計將在2021年發射的韋伯太空望遠鏡，能幫忙繪製透鏡星系中恆星速度圖像，開發更精確的星系暗物質的分佈模型，有助於H0LiCOW團隊更快達成「1%不確定性」的目標。

H0LiCOW的成果，對目前在進行中的幾個透鏡化類星體巡天普查計畫相關研究預期將有幫助，譬如暗能量普查（Dark Energy Survey）和泛星計畫（PanSTARRS），而這幾個計畫共大約會找到數百個透鏡化類星體。美國國家科學基金會的LSST大型綜合觀測望遠鏡計畫（Large Synoptic Survey Telescope），預計可望再多發現幾千個透鏡化類星體，H0LiCOW的成果對LSST也會很有幫助。

該團隊已在第235屆美國天文學會年會中發表了這項成果。

本篇論文發表於Monthly Notices of the Royal Astronomical Society：H0LiCOW XIII. A 2.4% measurement of H0 from lensed quasars: 5.3σ tension between early and late-Universe probes

論文作者為：Kenneth C. Wong, Sherry H. Suyu, Geoff C.-F. Chen, Cristian E. Rusu, Martin Millon, Dominique Sluse, Vivien Bonvin, Christopher D. Fassnacht, Stefan Taubenberger, Matthew W. Auger, Simon Birrer, James H. H. Chan, Frederic Courbin, Stefan Hilbert, Olga Tihhonova, Tommaso Treu, Adriano Agnello, Xuheng Ding, Inh Jee, Eiichiro Komatsu, Anowar J. Shajib, Alessandro Sonnenfeld, Roger D. Blandford, L´eon V. E. Koopmans, Philip J. Marshall, and Georges Meylan

編輯：黃珞文

審校：蘇游瑄教授、周美吟博士