Measuring the Hubble Constant: The Tension

测量哈勃常数：张力

局部宇宙与早期宇宙测量结果的差异引发了新的宇宙学问题

H的重要性0

这 哈勃常数（H0） 设定宇宙当前的膨胀速率，通常以公里/秒/百万秒差距（km/s/Mpc）为单位。H 的精确值0 在宇宙学中至关重要，因为：

  1. 它规定 年龄 从膨胀推算出来的宇宙。
  2. 它校准 距离尺度 用于其他宇宙测量。
  3. 它有助于打破宇宙参数拟合的退化（e.g.、物质密度、暗能量参数）。

传统上，天文学家测量 H0 通过 两个不同的 策略：

  • 本地（距离阶梯）方法：从视差构建到造父变星或 TRGB（红巨星分支尖端），然后使用 Ia 型超新星，在相对较近的宇宙中产生直接膨胀率。
  • 早期宇宙方法：推断H0 来自选定宇宙学模型（ΛCDM）下的宇宙微波背景（CMB）数据，加上重子声学振荡或其他约束。

近年来，这两种方法取得了显著成果 不同的 哈0 值：更高的局部测量值（~73–75 km/s/Mpc) 与基于 CMB 的较低测量值 (~67–68 km/s/Mpc）。这种差异被称为“哈勃张力”——表明存在超出标准 ΛCDM 的新物理学，或者在一种或两种测量方法中存在未解决的系统性。

2. 局部距离阶梯：循序渐进的方法

2.1 视差与校准

这 基础 局部距离阶梯是 视差 （三角学）用于相对较近的恒星（例如盖亚任务、哈勃空间望远镜的造父变星视差等）。视差设定了标准烛光的绝对比例，例如 造父变星，具有明确表征的周期-光度关系。

2.2 造父变星和TRGB

  • 造父变星：校准更远距离标记的关键横档，例如 Type Ia 型超新星。Freedman 和 Madore、Riess 等 等人（SHoES 团队）和其他人改进了本地造父变星的校准。
  • 红巨星分支尖端（TRGB）：另一种技术是利用贫金属星族中氦闪开始时红巨星的光度。 卡内基-芝加哥 团队（Freedman 等 等人在一些本地星系中测量到了约 1% 的精度，为造父变星提供了替代方案。

2.3 类型 Ia型超新星

一旦宿主星系中的造父变星（或TRGB）锚定了超新星的光度，我们就可以测量到数百百万秒差距（Mpc）外的超新星。通过比较超新星的视亮度和推导出的绝对光度，我们可以得到距离。绘制退行速度（由红移得出）与距离的关系图，可以得出 哈0 本地。

2.4 局部测量

Riess等人（SHoES） 通常找到 H0 ≈73–74 km/s/Mpc（不确定性约为 1.0–1.5%）。 Freedman等人（TRGB） 查找值 ~69–71 km/s/Mpc，略低于Riess，但仍高于基于普朗克的~67。因此，虽然局部测量结果略有不同，但通常集中在70-74左右 km/s/Mpc——高于普朗克的~67。

3. 早期宇宙（CMB）方法

3.1 ΛCDM 模型和 CMB

这 宇宙微波背景辐射 （CMB）各向异性由 WMAP 或普朗克测量，在标准 ΛCDM 宇宙模型，推导出声峰尺度等参数。通过拟合 CMB 功率谱，可以得到 Ωb h²，Ωc h² 和其他参数。将这些参数与平坦度假设以及 BAO 或其他数据相结合，可以得出 H0。

3.2 普朗克测量

普朗克 合作的最终数据通常产生 H0 = 67.4 ± 0.5 km/s/Mpc（取决于精确的先验），比当地SHoES的测量值低约5-6σ。这种差异被称为哈勃张力，显著性约为5σ，足以表明这不太可能是偶然事件。

3.3 为什么差异如此重要

如果标准 ΛCDM 模型正确，且普朗克数据系统性稳健，那么局域距离阶梯方法必然包含一个未被识别的系统性缺陷。或者，如果局域距离模型准确，那么早期宇宙模型可能并不完整——新物理学 可能影响宇宙膨胀，或者一些额外的相对论物种或早期暗能量改变推断的 H0。

4. 潜在的差异来源

4.1 距离阶梯中的系统误差？

一个怀疑是 造父变星校准 或者 超新星光度测定 可能包含未校正的系统性因素——例如金属丰度对造父变星光度的影响、局部流校正或选择偏差。然而，多个团队之间高度的内部一致性降低了出现较大误差的概率。TRGB 方法在中等偏高的 H0，虽然比造父变星略低，但仍然高于普朗克变星。

4.2 CMB 或 ΛCDM 中未被认识的系统学？

另一种可能性是，普朗克在 ΛCDM 下的 CMB 解释忽略了一个关键因素， e.g.:

  • 扩展中微子物理学 或额外的相对论物种（N效果）。
  • 早期暗能量 接近复合。
  • 非平面几何形状 或随时间变化的暗能量。

普朗克没有发现这些强烈迹象，但在一些扩展模型拟合中出现了一些轻微的暗示。目前还没有一个模型能够令人信服地解决这一矛盾，而不会引发其他异常或增加复杂性。

4.3 两个不同的哈勃常数？

一些人认为，如果存在大的局部结构或不均匀性（“哈勃气泡”），低红移的膨胀率可能与全球平均值不同，但来自多个方向、其他宇宙尺度的数据以及一般的同质性假设使得显著的局部空洞或局部环境解释不太可能完全解释这种张力。

5. 缓解紧张局势的努力

5.1 独立方法

研究人员测试了替代的局部校准：

  • 脉泽 在巨型脉泽星系（如 NGC 4258）作为超新星距离的锚点。
  • 强透镜效应 时间延迟（H0LiCOW、TDCOSMO）。
  • 表面亮度波动 在椭圆星系中。

到目前为止，这些通常支持 H0 在 60 多度到 70 多度的范围内，并非所有值都收敛到相同的值，但通常在 67 以上。因此，没有任何一条独立的路线能够消除这种紧张局势。

5.2 来自 DES、DESI、Euclid 的更多数据

包 在不同红移下测量可以重建 H(z)，以测试在 z = 1100（CMB 时期）和 z = 0 之间是否出现与 ΛCDM 的偏差。如果数据显示演化产生了更高的局部 H0 当与高 z 处的普朗克相匹配时，这可能表明有新的物理学（如早期暗能量）。 德西 旨在对多个红移进行~1%的距离测量，可能阐明宇宙膨胀路径。

5.3 新一代距离阶梯

当地团队通过以下方式不断完善视差校准 盖亚 数据、改进造父变星零点，以及重新检验超新星光度测量的系统性。如果这种张力在误差较小的情况下持续存在，那么超越 ΛCDM 的新物理理论将更加有力。如果这种张力消失，我们将证实 ΛCDM 的稳固性。

6. 对宇宙学的启示

6.1 如果普朗克是正确的（低 H0）

低H0 ≈ 67 公里/秒/百万秒差距与 z = 1100 至今的标准 ΛCDM 一致。那么，局部距离阶梯法必然存在系统性偏差，或者我们处在一个不寻常的局部区域。这种情况表明宇宙的年龄约为 13.8 十亿年。大尺度结构预测与星系团数据、BAO和透镜效应保持一致。

6.2 如果本地阶梯正确（高 H0）

如果H0 ≈ 73 是正确的，那么标准的 ΛCDM 拟合普朗克常数必定是不完整的。我们可能需要：

  • 额外的 早期暗能量 暂时加速膨胀预复合，改变峰值角度，因此基于普朗克的 H0 降低。
  • 额外的相对论自由度或新的 中微子 物理。
  • 平坦、纯 ΛCDM 宇宙假设的崩溃。

这种新物理学可能会以更复杂的模型为代价来解决这一矛盾，但可以通过其他数据（CMB透镜、结构增长约束、大爆炸核合成）进行测试。

6.3 未来展望

这种紧张局势需要进行严格的交叉核查。 CMB-S4 或者下一级宇宙剪切数据可以检查结构生长是否与高或低 H 一致0 扩展。如果张力保持在约5σ的水平，则强烈表明标准模型需要修订。一项重大的理论发展或系统性解决方案最终可能会最终敲定结论。

7. 结论

测量 哈勃常数 （H0) 是 宇宙学，将当地观测结果联系起来 扩张 与 早期宇宙 框架。当前的方法产生两种不同的结果：

  1. 本地距离阶梯 （通过造父变星、TRGB、SNe）通常会产生 H0 ≈ 73 公里/秒/百万秒差距。
  2. 基于 CMB 的 ΛCDM 使用普朗克数据拟合，得到 H0 ≈ 67 公里/秒/百万秒差距。

这 ”哈勃张力”的显著性约为5σ，这要么意味着在某种方法中存在未被认识的系统性，要么意味着存在超越标准ΛCDM模型的新物理。视差校准（盖亚）、超新星零点、透镜时间延迟距离以及高红移BAO方面的持续改进正在检验每个假设。如果这种张力持续存在，它可能会揭示一些奇异的解（早期暗能量、额外中微子等）。如果张力减弱，我们将确认ΛCDM的稳固性。

无论结果如何，都会深刻地塑造我们的宇宙叙事。这种张力催生了新的观测活动（DESI、欧几里得、罗曼、CMB-S4）和先进的理论模型，展现了现代宇宙学的动态本质——精准的数据和持续的异常现象推动着我们寻求统一宇宙观。 早期的 和 展示 宇宙形成一幅连贯的图画。

参考文献及延伸阅读

  1. Riess, AG 等人（2016 年）。 “哈勃常数局部值的 2.4% 确定。” 《天体物理学杂志》， 826，56.
  2. 普朗克合作组织（2018 年）。 “普朗克2018结果。VI. 宇宙学参数。” 天文学 &天体物理学， 641，A6。
  3. Freedman, WL 等人（2019 年）。 “卡内基-芝加哥哈勃计划。VIII. 基于红巨星分支尖端的哈勃常数独立测定。” 《天体物理学杂志》， 882，34.
  4. Verde，L.，Treu，T.， & Riess，AG（2019）。 “早期宇宙和晚期宇宙之间的紧张关系。” 自然天文学， 3，891–895。
  5. 诺克斯，L.， & Millea，M.（2020 年）。 “哈勃常数猎人指南。” 今日物理， 73，38岁。

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