宇宙学界长期关注“哈勃张力”——即宇宙膨胀率(哈勃常数)在不同测量方法下出现不一致的现象。美国宇航局先进概念研究所(NIAC)一期报告提出一种潜在观测方案:在太阳系内部署由五颗航天器构成的分布式网络,尝试以更直接的方式测量遥远天体距离。该研究已发布于arXiv预印本服务器。
目前,基于宇宙微波背景辐射推算的哈勃常数为67.4公里/秒/百万秒差距,这一结果已被标准宇宙学模型采用多年。与此同时,利用造父变星与超新星等“距离梯”方法得到的数值更接近73公里/秒/百万秒差距。两类结果之间的差异被称为“哈勃张力”,并会影响对宇宙天体距离乃至宇宙年龄的估算。
报告指出,尽管暗能量光谱仪(DESI)与詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)等新一代观测手段持续提供数据,但对缓解上述差异的作用有限,相关结果也促使部分理论研究开始讨论暗能量是否可能随时间演变。研究团队认为,要对这些细微差别具备更高灵敏度,往往需要规模更大的观测基础设施。

在这一背景下,研究提出“宇宙定位系统”(CPS)概念。该系统设想由五颗卫星均匀分布在太阳系内,彼此之间的基线距离约为20至100天文单位,相当于地日距离的20至100倍。通过类似全球定位系统(GPS)的三角测量思路,航天器可精确记录光子等信息在星间传播所需时间,从而对遥远天体进行直接测距。报告称,当基线足够长且计时精度足够高时,信号强度将有助于更精确地区分信号来源位置。
不过,报告同时强调该设想对工程能力提出较高要求。每颗卫星需要配备直径约8至9米的天线,并且必须采用可展开结构,因为现有火箭整流罩难以容纳如此尺寸。尽管无线电天线在加工精度上不必达到光学或红外系统的水平,但仍需进行低温冷却。报告估算天线工作温度需降至约20开尔文;远离太阳有利于被动冷却,但可能仍需要主动冷却系统。
计时系统被认为是关键部件之一。团队建议采用类似NASA“深空原子钟”的设备,该类设备曾在2019至2021年的STP-2任务中完成飞行验证。但报告指出,为满足CPS任务需求,相关设备需要在功耗方面进一步微型化与降低能耗,因为航天器在远离太阳的区域可获得的太阳能显著减少。

在供电方面,报告提到可能需要放射性同位素热电机组作为补充,以支持高速模数转换器捕获信号全带宽,并将数据回传地球。研究同时提出,该系统除用于哈勃张力相关测量外,还可服务于多项次要科学目标,包括通过追踪快速射电暴的“摆动”研究暗物质的“团聚性”,探测微赫兹频率引力波(包括超大质量黑洞双星信号),以及利用航天器自身引力的微小变化推断柯伊伯带引力分布,并为假设存在的“第九行星”提供线索。
不过,报告也对项目进展保持谨慎表述。NIAC主要用于评估前沿概念与关键技术路径,即便研究取得进展,也不必然意味着会被NASA采纳。报告称,CPS目前尚未获得额外资金支持,未来是否能继续推进仍不确定。研究团队认为,该构想在操作层面具备可行性,但需要在若干环节进行调整;在获得进一步资源投入之前,项目仍将停留在概念与论证阶段。
