独家专访自然杂志年度人物温迪·弗里德曼：暗物质为何加速宇宙膨胀仍是一个谜
封面新闻记者 张馨心
近日，全球知名科学期刊《自然》杂志公布2024年度推动科学发展的十大人物榜单。其中，美国国家科学院院士、芝加哥大学天文学家温迪·弗里德曼（Wendy Freedman）凭借对宇宙膨胀速度的研究突破而入选。
美国国家科学院院士、天文学家温迪·弗里德曼。受访者供图
上世纪二十年代，美国天文学家埃德温·哈勃的观测揭示了宇宙在不断膨胀。然而，宇宙膨胀速度究竟有多快，即哈勃常数的准确数值，一直是科学家们争论的焦点。
今年，弗里德曼在这一关键问题上取得重要进展。她创新性地将詹姆斯·韦布空间望远镜的数据与改进后的标准烛光相结合，得出了与早期宇宙预测相符的结果。这一发现极大深化了对宇宙演化的认知。
宇宙膨胀速度为何如此关键？神秘的“标准烛光”究竟是什么？宇宙膨胀与暗能量有怎样的关联？近日，封面新闻记者独家专访温迪·弗里德曼。
我们依然有很多困惑
但相信离真相越来越近了
封面新闻：为什么研究宇宙膨胀速度对理解宇宙演化如此重要？
弗里德曼：二十世纪二十年代，天文学家埃德温·哈勃等人发现，宇宙正在膨胀——因为大多数星系离银河系越来越远，且距离银河系越远的星系，后退的速度也越快。星系远离银河系的速度和星系与银河系的距离之间的比率大致恒定，这一比率被称为哈勃常数。 哈勃常数是描述宇宙演化过程的重要参数，它的倒数与宇宙年龄直接相关，哈勃常数越大，宇宙年龄就越小。
数十年前，当我刚进入这一领域时，学术界正在激烈讨论宇宙的年龄到底是100亿年还是200亿年。为了弄清这个问题，在二十世纪九十年代，我领导了一项利用哈勃空间望远镜进行观测的研究。
哈勃空间望远镜相比地面望远镜，具有巨大优势，能提供更精确的观测数据。最终，我们成功完成了这一任务，使哈勃常数的误差范围不超过10%，改变了之前近两倍的误差。
封面新闻：您在哈勃常数的测量上作出了哪些贡献？
弗里德曼：近年来，哈勃常数的测量一直存在争议，两种主要方法产生了不同结果，第一种基于对宇宙微波背景辐射（大爆炸余辉）的观测，这给出了一个较低的哈勃常数值，大约为67km/s/Mpc，另一种基于观测远处星系衰退速度，并使用造父变星和超新星测量距离的方法给出了更高的值，大约在72-74km/s/Mpc。
我一直通过改进方法和工具试图解决这场争议。除了“造父变星”外，还尝试使用其他类型的“标准烛光”（standard candle），如红巨星，来交叉检验测量结果的工作。
此外，我还使用詹姆斯·韦布空间望远镜使观测数据变得更精准。它不仅能探测光学辐射，还能探测红外辐射。红外波段的辐射有助于最小化尘埃的影响，这对于观测遥远天体尤为重要。此外，它的尺寸更大，其高分辨率使我们能更加清晰地观测这些恒星，从而提取出恒星的光谱信息，同时避免附近其他恒星的干扰。
通过观测工具和测量方法的逐步优化，我们将这些替代标准烛光与超新星数据结合起来，发现哈勃常数更接近宇宙微波背景辐射方法给出的较低值，约为67km/s/Mpc。
封面新闻：争议停止了吗？
弗里德曼：这不意味着这个争议得到了根本解决。我们依然有很多困惑：比如我们对宇宙学演化的理解是否存在盲点？测量方法是否足够科学？幸运的是，我们正处在一个能从多个角度进行检验的阶段，随着数据越来越精确，最终某些理论会被验证，而另一些则会被推翻，但我相信我们离真相越来越近了。
在不同距离的星系中观测红巨星
测量它们的亮度推算星系距离
封面新闻：您提到您尝试使用其他类型的标准烛光来进行交叉验证，能否介绍什么是标准烛光？
弗里德曼：标准烛光是天文学中的一个术语，指的是已经知道光度的天体。其中最常用的标准烛光之一是造父变星。
造父变星的特点其亮度随时间呈现周期性变化。大约一百年前，天文学家亨丽埃塔·莱维特发现，光变周期越长的造父变星，其亮度就越大。
当我们提到标准烛光时，指的是能够用来测量距离的恒星。假设我们在不同距离的星系中观测到某个造父变星，如果观测到它的亮度，并且知道它在银河系中的绝对亮度，通过比较它的观测亮度和已知的绝对亮度，就可以使用距离平方反比定律来计算星系的距离。
理想情况下，我们希望能找到一种标准烛光，这种天体的亮度不需要通过周期等其他方法来“标准化”。我们的研究小组正在发展一种新的标准烛光——红巨星。
红巨星比造父变星更常见，这些恒星在近红外波段有恒定的光度。我们可以在不同距离的星系中观测这些红巨星，并通过测量它们的亮度来推算星系的距离。
我一直秉持一个原则
做任何工作都要使用多种方法
封面新闻：测量哈勃常数一直被视为充满挑战的工作，您能谈谈工作中面临的困难吗？
弗里德曼：测量距离我们数千万甚至上亿光年的恒星非常具有挑战性。
比如，当恒星死亡时，会将尘埃颗粒释放到星际介质中。当我们试图观测这些恒星时，尘埃会干扰观测，使得一些用来测量距离的恒星显得更暗淡，我们会误以为它距离我们更远。除了尘埃，还有许多类似问题，我们统称为系统性误差。即使多次进行测量，如果不纠正这些系统性因素，结果依然会受到影响。
另一个挑战是，每次使用新的仪器都需要进行校准。这意味着我们必须了解探测器的性能，这可能需要很长时间。而且，随着星系距离增大，观测分辨率会逐渐降低。由于探测器的像素大小是固定的，当观测到更远的星系时，它们的尺寸变小，恒星之间的互相干扰会变得更加严重。
除此之外，还有许多人为因素。在数据分析过程中，错误是难以避免的。
因此，我一直秉持一个原则——做任何工作时都要使用多种方法，这样可以避免某些不小心发生的错误，确保结果的准确性。
暗物质为何会加速宇宙膨胀
仍然是一项未解之谜
封面新闻：暗能量仍然被视为宇宙学中最大的谜团之一，它与宇宙膨胀也有密切的关系。您对它有什么看法？
弗里德曼：近几十年研究者才意识到，宇宙不仅仅由我们能够观测到的物质组成，还包括一些我们肉眼看不见、电磁探测器也探测不到的暗物质和暗能量。
据估计，我们能看见的所有物质（包括地球、恒星、行星等）仅占宇宙的5%左右，暗物质约占25%，暗能量约占70%。其中，暗物质具有质量，而暗能量没有质量，对宇宙产生斥力效应，并加速宇宙的膨胀。
暗能量的存在，与爱因斯坦的广义相对论密切相关，但暗物质来自哪里？为什么会加速宇宙的膨胀，仍然是宇宙学的一项未解之谜。
天文学的魅力在于
不把任何事物视为理所当然
封面新闻：是什么激发了您对宇宙的兴趣？你觉得天文学在哪些方面吸引您？
弗里德曼：我对宇宙感兴趣，很大程度是受到父亲的影响。我的父亲对天文学有着浓厚兴趣，他在我很小的时候就陪我一起看夜空，并教给我相关知识。但当时的我并没有意识到，有一天会走上天文学的道路。
对我来说，天文学的魅力在于它从不把任何事物视为理所当然，我们需要大胆提出假设，再去不断验证。如果一个假设被证实不成立，我们便不再考虑它。这种基于证据和理性推理的工作方式非常吸引我，我不仅喜欢这一领域，还喜欢这种每天接受挑战、不断学习的感觉。
天文学领域充满可能性
越来越多的女性进入这一领域
封面新闻：您被《自然》杂志评为2024年度十大人物之一。对此有何感受？
弗里德曼：得知这一消息，感觉非常意外。我们的团队一直在努力解决关于宇宙膨胀速度的分歧，随着詹姆斯·韦布空间望远镜的投入使用，我们正在逐步揭示宇宙的本质。虽然我们还没有完全弄明白，但能够以这种方式得到认可，还是让人感到非常欣慰。
封面新闻：天文被视为男性主导的领域，您对有兴趣进入天文领域的女性有何建议？
弗里德曼：尽管天文仍然是一个男性主导的领域，但据我观察，越来越多的女性进入了这一领域。
如果对天文学、天体物理学以及科学充满兴趣，现在正是进入这个领域的好机会。
天文学领域充满可能性，同时挑战性也非常大，但这种挑战在其他任何领域都可能发生。如果你的兴趣在此，我鼓励你毫不犹豫地追求它。