一组八幅延时引力透镜系统的蒙太奇图像。每幅图像中央都有一个完整的星系，环绕在星系周围光环中的明亮光点，是星系后方类星体被引力透镜效应放大的影像。这些图像为伪彩色，由来自不同望远镜和仪器的数据合成。
宇宙学家们正面临着一个悬而未决的重大难题：他们对宇宙膨胀的速度尚未达成共识，而解开这个谜题可能指向新的物理学。为了检查依赖超新星等标记物的传统测量方法中是否存在隐藏的误差，天文学家们不断寻找追踪宇宙膨胀的新方法。在最近的一项研究中，包括东京大学科学家在内的研究人员，利用新技术和一些最先进望远镜的数据测量了宇宙的膨胀。他们的方法利用了这样一个事实：来自极其遥远天体的光线，可以沿着几条不同的路径传播到我们这里。比较这些不同的路径，有助于完善描述宇宙最大尺度上（包括空间本身如何伸展）所发生事件的模型。
宇宙膨胀得有多快？
我们知道宇宙是浩瀚的，并且正在稳步变得更大。其确切大小未知，但其膨胀速率是可以测量的。事实证明，这比听起来更复杂，因为当我们观察更遥远的空间区域时，膨胀似乎更快。距离地球每增加330万光年（或一个百万秒差距），那个距离上的天体看起来正以大约每秒73公里的速度远离我们。换句话说，宇宙以每秒每百万秒差距73公里（km/s/Mpc）的速度膨胀，这个数值被称为哈勃常数。
距离阶梯与测量哈勃常数的新方法
科学家们已经开发了多种方法来估算哈勃常数，但迄今为止，这些方法都依赖于所谓的“距离阶梯”。这些阶梯由超新星和一种称为造父变星的特殊恒星等天体构建而成。由于这些天体被认为已被充分理解，天文学家假设，即使在观测其他星系中的这些天体时，它们也能被用于高精度地估算距离。经过数十年对许多此类天体的观测，哈勃常数的允许范围已经收窄。然而，关于这种方法的可靠性一直存在一些不确定性，因此宇宙学家们渴望测试替代方案。
在他们最新的研究中，一个由东京大学早期宇宙研究中心的助理教授黄肯尼斯（Kenneth Wong）和博士后研究员埃里克·派克（Eric Paic）等天文学家组成的团队，成功展示了一种称为“延时宇宙学”的技术。他们认为，这种方法可以减少该领域对距离阶梯的依赖，并可能在宇宙学的其他分支领域也有宝贵应用。
利用引力透镜作为宇宙测量工具
黄肯尼斯表示：“要使用延时宇宙学测量哈勃常数，你需要一个质量非常大的星系来充当透镜。这个‘透镜’的引力会偏折其后方天体的光线，使其环绕自身，因此我们看到的是它们被扭曲的版本。这被称为引力透镜效应。如果条件合适，我们实际上会看到多个扭曲的图像，每个图像都经过了略微不同的路径才到达我们这里，花费了不同的时间。通过寻找这些图像中略微不同步的相同变化，我们可以测量它们到达我们这里的时间差。将这些数据与对造成扭曲的星系透镜质量分布的估算结合起来，就能让我们更准确地计算遥远天体的加速度。我们测量到的哈勃常数，完全落在其他估算模式所支持的范围之内。”
哈勃张力：关于膨胀宇宙的冲突观点
研究人员投入如此多的精力去完善一个已被多次测量的数值，这可能看起来令人费解。原因在于，这个数值处于科学家们重建宇宙历史和演化的核心，并且存在一个严重的未解决矛盾。哈勃常数为73 km/s/Mpc的数值与对相对较近天体的观测结果一致。然而，还有其他方法可以推断宇宙膨胀率，这些方法着眼于更久远的过去。一个关键方法是利用充满宇宙并可追溯到大爆炸的辐射，即宇宙微波背景辐射。当科学家分析宇宙微波背景辐射来估算哈勃常数时，他们得到的数值较低，为67 km/s/Mpc。
73 km/s/Mpc与67 km/s/Mpc之间的这种不匹配被称为“哈勃张力”。黄肯尼斯、派克及其同事的工作有助于阐明可能导致这种张力的原因，而目前尚不清楚这种差异仅仅是源于实验不确定性，还是指向了更深层的东西。
哈勃张力是否指向了新物理学？
黄肯尼斯说：“我们对哈勃常数的测量结果，与当前其他观测结果更为一致，而与早期宇宙的测量结果较不一致。这证明哈勃张力可能确实源于真实的物理学，而不仅仅是各种方法中某些未知的误差来源。我们的测量完全独立于其他方法（无论是早期宇宙还是晚期宇宙的方法），因此，如果那些方法中存在任何系统性不确定性，我们应该不会受到影响。”
派克表示：“这项工作的主要重点是改进我们的方法论，现在我们需要增加样本量以提高精度，并最终解决哈勃张力问题。目前，我们的精度约为4.5%，为了真正将哈勃常数确定到一个能够明确证实哈勃张力的水平，我们需要达到1-2%左右的精度。”
更多透镜、更多类星体与更高精度
研究人员乐观地认为他们可以达到更高的精度水平。在当前的研究中，他们分析了八个延时透镜系统。每个系统都包含一个前景星系充当透镜，遮挡了我们对一个遥远类星体（一个正在吸积气体和尘埃而发出明亮光芒的超大质量黑洞）的直接视线。他们还整合了来自尖端天基和地基观测站（包括詹姆斯·韦伯太空望远镜）的新观测数据。展望未来，该团队计划扩大研究的透镜系统数量，改进测量方法，并仔细识别或消除任何残留的系统性误差来源。
质量分布不确定性与全球宇宙学努力
黄肯尼斯指出：“最大的不确定性来源之一，是我们并不确切知道透镜星系中的质量是如何分布的。通常假设质量遵循某种与观测一致的简单分布轮廓，但这很难确定，而这种不确定性会直接影响我们计算出的数值。哈勃张力很重要，因为它可能指向宇宙学揭示新物理学的新时代。我们的项目是多个独立观测站和研究人员长达数十年合作的结果，凸显了国际合作在科学中的重要性。”
