Measuring the Hubble Constant: The Tension

测量哈勃常数：张力

本地与早期宇宙测量的差异引发了新的宇宙学问题

H的重要性0

哈勃常数（H0）设定了宇宙当前的膨胀速率，通常以公里每秒每兆秒差距（km/s/Mpc）为单位表示。精确的H0值在宇宙学中至关重要，因为：

  1. 当从膨胀反推时，它决定了宇宙的年龄。
  2. 它校准了其他宇宙测量的距离尺度。
  3. 它有助于打破宇宙学参数拟合中的简并性（例如物质密度、暗能量参数）。

传统上，天文学家通过两种不同策略测量H0：

  • 本地（距离阶梯）方法：从视差到造父变星或TRGB（红巨星分支顶端），再利用Ia型超新星，得出相对近邻宇宙的直接膨胀率。
  • 早期宇宙方法：在选定的宇宙学模型（ΛCDM）下，从宇宙微波背景（CMB）数据推断H0，并结合重子声波振荡或其他约束。

近年来，这两种方法得出的H0值显著不同：本地测量较高（约73–75公里/秒/兆秒差距）与基于宇宙微波背景（CMB）的较低测量（约67–68公里/秒/兆秒差距）。这种差异被称为“哈勃张力”，暗示标准ΛCDM模型之外的新物理，或一项或两项测量方法中未解决的系统误差。

2. 本地距离阶梯：逐步方法

2.1 视差与校准

本地距离阶梯的基础是相对较近恒星的视差（三角视差）（Gaia任务，HST对造父变星的视差等）。视差为标准烛光如造父变星设定了绝对尺度，这些星体具有良好表征的周期-光度关系。

2.2 造父变星和TRGB

  • 造父变星：校准更远距离标记如Ia型超新星的关键阶梯。Freedman 和 Madore、Riess 等人（SHoES团队）及其他人完善了本地造父变星的校准。
  • 红巨星分支顶端（TRGB）：另一种技术利用金属贫乏群体中氦闪开始时红巨星的光度。卡内基-芝加哥团队（Freedman 等）在一些近邻星系中测得约1%的精度，提供了造父变星的替代方法。

2.3 Ia型超新星

一旦宿主星系中的造父变星（或TRGB）确定了超新星的光度，就可以测量远至数百兆秒差距的超新星。通过比较超新星的视亮度与推导出的绝对光度，我们获得距离。绘制后退速度（由红移得出）与距离的关系图，可以局部测定哈勃常数 H0。

2.4 本地测量数据

Riess等人（SHoES）通常发现H0约为73–74 km/s/Mpc（不确定度约1.0–1.5%）。Freedman等人（TRGB）测得的值约为69–71 km/s/Mpc，略低于Riess但仍高于基于普朗克的约67。因此，虽然本地测量之间存在一定差异，但通常集中在70–74 km/s/Mpc之间——高于普朗克的约67。

3. 早期宇宙（CMB）方法

3.1 ΛCDM模型与CMB

通过WMAP或普朗克测量的宇宙微波背景（CMB）各向异性，在标准ΛCDM宇宙学模型下，推断声学峰尺度及其他参数。通过拟合CMB功率谱，得到Ωb h²、Ωc h²及其他参数。结合平坦性假设及BAO或其他数据，得出推导的H0。

3.2 普朗克的测量

普朗克合作组的最终数据通常给出H0 = 67.4 ± 0.5 km/s/Mpc（取决于具体先验），比本地SHoES测量低约5–6σ。这个差异，被称为哈勃张力，显著性约为5σ，足以表明这不太可能是随机巧合。

3.3 差异为何重要

如果标准ΛCDM模型正确且普朗克数据系统稳健，那么本地距离阶梯方法必然包含未识别的系统误差。或者，如果本地距离测量准确，可能早期宇宙模型不完整——新物理可能影响宇宙膨胀，或者某些额外的相对论性物种或早期暗能量改变了推断的H0。

4. 可能的差异来源

4.1 距离阶梯中的系统误差？

一种怀疑是，造父变星校准或超新星光度测量可能存在未校正的系统误差——比如金属丰度对造父变星光度的影响、局部流动修正或选择偏差。然而，多团队间强烈的内部一致性降低了出现大误差的可能性。TRGB方法也趋向于中等偏高的H0，虽然略低于造父变星，但仍高于普朗克结果。

4.2 CMB或ΛCDM中的未识别系统误差？

另一种可能性是，普朗克对ΛCDM模型下的CMB解释遗漏了关键因素，例如：

  • 扩展的中微子物理或额外的相对论性物种 (Neff)。
  • 重组时期附近的早期暗能量。
  • 非平坦几何或随时间变化的暗能量。

Planck未见明显迹象，但某些扩展模型拟合中出现轻微暗示。目前尚无令人信服的解决方案能在不引入其他异常或增加复杂性的情况下解决紧张关系。

4.3 两个不同的哈勃常数？

有人认为，如果存在大型局部结构或非均匀性（“哈勃泡”），低红移的膨胀率可能与全局平均不同，但来自多个方向、其他宇宙尺度的数据以及整体均匀性假设，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紧张关系。

5. 解决紧张关系的努力

5.1 独立方法

研究人员测试替代的本地校准方法：

  • 巨型强激射星系（如NGC 4258）中的激射星作为超新星距离的锚点。
  • 强透镜时间延迟（H0LiCOW，TDCOSMO）。
  • 椭圆星系中的表面亮度波动。

到目前为止，这些通常支持H0 在60多到70多的范围内，不完全收敛到同一确切值，但通常高于67。因此，没有单一独立途径消除这种紧张关系。

5.2 来自DES、DESI、Euclid的更多数据

在不同红移测量的BAO可以重建H(z)，以测试z = 1100（CMB时代）到z = 0之间是否出现偏离ΛCDM的情况。如果数据表现出一种演化，导致局部H0更高，同时在高红移与Planck匹配，这可能表明新物理（如早期暗能量）。DESI目标是在多个红移点实现约1%的距离测量，可能澄清宇宙膨胀路径。

5.3 下一代距离阶梯

本地团队持续通过Gaia数据改进视差校准，提升造父变星零点，并重新检查超新星光度测量中的系统误差。如果紧张关系在误差条缩小后依然存在，超出ΛCDM的新物理可能性将更强。如果紧张关系消失，我们将确认ΛCDM的稳固性。

6. 宇宙学的意义

6.1 如果Planck是正确的（低H0)

低H0 ≈ 67 km/s/Mpc与从z = 1100到现在的标准ΛCDM一致。那么局部距离阶梯方法必然存在系统性误差，或者我们处于一个不寻常的局部区域。该情景表明宇宙年龄约为13.8亿年。大尺度结构预测仍与星系聚类数据、BAO和透镜效应一致。

6.2 如果局部阶梯是正确的（高H0)

如果H0 ≈ 73是正确的，那么基于Planck的标准ΛCDM拟合必然不完整。我们可能需要：

  • 额外的早期暗能量，在复合前暂时加速膨胀，改变峰值角度，从而降低基于Planck推断的H0。
  • 额外的超相对论自由度或新的中微子物理。
  • 假设平坦且纯ΛCDM宇宙的前提出现崩溃。

这种新物理可能以更复杂的模型解决张力，但可通过其他数据（CMB透镜、结构增长约束、大爆炸核合成）进行检验。

6.3 未来展望

这种张力促使进行严格的交叉验证。CMB-S4或更高级的宇宙剪切数据可以检验结构增长是否与高或低H0膨胀相符。如果张力持续约5σ，则强烈表明标准模型需要修正。重大理论进展或系统误差的解决可能最终定论。

7. 结论

测量哈勃常数（H0）是宇宙学的核心，连接了对膨胀的本地观测与早期宇宙框架。当前方法产生两种截然不同的结果：

  1. 本地距离阶梯（通过造父变星、TRGB、超新星）通常得出H0 ≈ 73 km/s/Mpc。
  2. 基于CMB的ΛCDM拟合，使用Planck数据，得出H0 ≈ 67 km/s/Mpc。

这种约5σ显著性的“哈勃张力”意味着要么某种方法存在未识别的系统误差，要么存在超出标准ΛCDM模型的新物理。正在进行的视差校准（Gaia）、超新星零点、透镜时间延迟距离和高红移BAO的改进正在检验每个假设。如果张力持续存在，可能揭示奇异解（早期暗能量、额外中微子等）。如果张力减弱，我们将确认ΛCDM模型的稳固性。

无论结果如何，都深刻塑造了我们的宇宙叙事。这种张力推动了新的观测计划（DESI、Euclid、Roman、CMB-S4）和先进的理论模型，展示了现代宇宙学的动态特性——精确数据和持续异常驱动我们将早期与当前宇宙统一成一个连贯图景的探索。

参考文献与延伸阅读

  1. Riess, A. G., 等. (2016). “局部哈勃常数的2.4%测定。” 天体物理学杂志, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). “Planck 2018 结果. VI. 宇宙学参数。” 天文学与天体物理学, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., 等. (2019). “卡内基-芝加哥哈勃计划。第八部分。基于红巨星分支顶点的哈勃常数独立测定。” 天体物理学杂志, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). “早期宇宙与晚期宇宙之间的张力。” 自然天文学, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). “哈勃常数猎人指南。” 今日物理, 73, 38.

 

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