为更好地向国内学术界展示我国优秀青年科学家的风采，促进学术交流，《中国科学：物理学 力学 天文学》中文版新开设“青年科学家专栏”。“专栏”将邀请各高校及研究院所的优秀青年科学家撰稿，结合自身工作对相关研究领域进行系统总结，并阐述学术见解、提出新观点和新思考。
《中国科学：物理学 力学 天文学》（中文刊）是由中国科学院主管，中国科学院与国家自然科学基金委员会共同主办的学术期刊。核心期刊，同时被ESCI和SCOPUS等国际数据库收录。
哈勃常数是宇宙学的一个重要基本参数，表征了当前宇宙膨胀的速度。在近场宇宙，哈勃常数近似等于天体的退行速度除以距离。由于退行速度可以相对容易而准确地从谱线红移测得，哈勃常数测量的难点就在于河外天体距离的准确测量。根据最新的测量结果，基于不同距离测量方法得到的哈勃常数存在5σ的差异。如果结果可靠，那么在统计学上，哈勃常数仍是常数的概率只有不到百万分之一，这意味着标准宇宙学模型中需要引入新的物理，这一现象被称为“哈勃常数危机”。
来自中国科学院国家天文台的陈孝钿、王舒在《中国科学：物理学 力学 天文学》上发表了综述论文“距离阶梯与哈勃常数危机”，介绍了几何距离、造父变星、TRGB、Ia型超新星等多种量天尺，比较了它们的优缺点以及未来的优化方向，并探讨了如何将这些量天尺组合成距离阶梯来测量哈勃常数，进而解决哈勃常数危机。
图1 不同标准烛光1倍标准差弥散的比较, 它代表了使用1颗标准烛光测量天体距离的误差
几何测距法中，作者介绍了视差法、角直径距离法、水脉泽测距法。视差法依赖地球轨道位置变化来测量天体距离，精度在Gaia望远镜的改进下显著提升。角直径距离法则通过已知天体的角直径和线直径来计算距离，常用于利用食双星测量大麦哲伦云等天体的距离。水脉泽测距法依赖甚长基线干涉法，精确测量出NGC 4258等星系的距离。三种方法中，Gaia视差的应用提升空间最大，而另外两种方法的提升需要更先进的望远镜。
造父变星被广泛用于建立距离标尺，该测距法的优化方向包括：通过使用红外波段和多组可见光波段来减少测距弥散，提升精度；通过金属丰度校正优化造父变星的周期光度关系；提高望远镜的角分辨率，减少混淆效应对测距的干扰；结合Gaia视差、大麦哲伦云等几何测距基准，进一步提升量天尺的精度。随着未来Gaia视差数据的释放，造父变星量天尺的总系统误差有望小于0.5%。
红巨星支顶端（TRGB）是小质量恒星演化到主序后的阶段，通过测量已知距离星系中的TRGB绝对星等，然后在未知距离星系中对比TRGB的视星等，可以计算星系距离。TRGB方法在20世纪90年代开始应用，2016年后广泛用于测量哈勃常数。Freedman团队利用TRGB测量近20个Ia型超新星宿主星系，得到误差为2.4%的哈勃常数70km s-1Mpc−1。TRGB的优点在于适用星系范围广，不需要长时间测光，但受消光影响较大。未来詹姆斯·韦布望远镜等将有助于进一步验证TRGB和造父变星量天尺的一致性。
Ia型超新星是距离阶梯的第二级，需要通过其他标准烛光（如造父变星或TRGB）校准其绝对星等。它们的优势在于非常明亮，可以在很大距离范围内观测到，但近邻Ia型超新星数量较少，导致绝对星等零点误差为0.9%。当前基于Ia型超新星的哈勃常数误差下限约为0.9%。关于不同红移Ia型超新星测距的一致性，Riess等人使用低红移Ia型超新星（z<0.15）测量哈勃常数，得到的结果为73 km s-1Mpc−1，与高红移Ia型超新星的结果一致。
图2 不同方法测量哈勃常数的概率密度分布
此外，文章还简介了Mira变星、强引力透镜、引力波标准汽笛、双周期天琴座RR型变星等潜在量天尺。文章总结，未来五年内，随着Gaia DR4的发布，第一级距离阶梯将会得到非常好的交叉验证。而随着詹姆斯·韦布望远镜、欧几里德望远镜、维拉·鲁宾天文台、中国空间站巡天望远镜的观测，第一级距离阶梯的标准烛光数目将增加10倍左右。天文学家们将能得到一个0.3%误差的第一级距离阶梯。通过与更大样本的近邻Ia型超新星相结合，天文学家将有望能就当前哈勃常数危机给出答案。
作者简介
陈孝钿
中国科学院国家天文台研究员，从事恒星高精度距离测量研究。
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陈孝钿, 王舒. 距离阶梯与哈勃常数危机. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2024, 54: 119501
