摘要：这部分 DESI 数据绘制了从地球（中心）到数十亿光年之外的天体。这些天体包括附近的明亮星系（黄色）、明亮的红色星系（橙色）、发射线星系（蓝色）和类星体（绿色）。插图中清晰可见宇宙的大尺度结构，它显示了最密集的巡天区域，其体积不到 DESI 巡天总体积的 0.

这部分 DESI 数据绘制了从地球（中心）到数十亿光年之外的天体。这些天体包括附近的明亮星系（黄色）、明亮的红色星系（橙色）、发射线星系（蓝色）和类星体（绿色）。插图中清晰可见宇宙的大尺度结构，它显示了最密集的巡天区域，其体积不到 DESI 巡天总体积的 0.1%。

伊桑·西格尔是一位天体物理学博士，他提到，在整个20世纪很长一段时间里，宇宙学的主要目标有两个：

毕竟，我们有引力定律——爱因斯坦的广义相对论——它使我们能够根据宇宙中物质和能量的数量、密度和分布来计算宇宙的演化。我们观察到宇宙在所有位置和所有方向上都大致均匀，并且早在20世纪20年代和30年代我们就了解到宇宙正在膨胀。我们认为，只要测量这两个参数，我们就能知道一切：宇宙的年龄、历史、成分，甚至命运。

要是我们当时意识到自己所知甚少就好了。我们错误地认为宇宙100%由物质构成，膨胀速度会减慢，而且不会有任何意外。当然，最终发现了很多意外，包括暗能量的存在，以及最近发现的一个谜团：哈勃张力。但它们是同一个吗？这就是马特·威廉姆斯想要知道的，他问道：

“哈勃张力和暗能量描述的是同一件事吗？两者似乎都基于对宇宙在近代历史中加速膨胀的观测。”

我们将从 20 世纪末期我们对宇宙的惊奇了解开始，然后，逐一解决 2025 年我们所面临的难题。

埃德温·哈勃于1929年绘制的星系距离与红移关系图（左图）展现了宇宙的膨胀，并与大约70年后绘制的现代对应图（右图）进行了对比。许多不同类型的物体和测量方法都用于确定物体距离与其视退行速度之间的关系，后者是我们根据物体光相对于我们的相对红移推断出来的。正如您所见，从非常近的宇宙（左下）到十亿光年之外的遥远地点（右上），这种非常一致的红移-距离关系仍然成立。哈勃图表的早期版本由乔治·勒梅特（1927年）和霍华德·罗伯逊（1928年）使用哈勃的初步数据绘制。

早在20世纪70年代到80年代，关于宇宙的内容、性质和诞生，一些新的争论愈演愈烈。一方面，各个团队都在努力确定宇宙的膨胀率。该值在过去的一个世纪里一直在下降：从哈勃最初测量的600公里/秒/百万秒差距，到几十年后的300公里/秒/百万秒差距，并且还在持续减小。然而，研究该问题的主要人员却一直得到两个相互矛盾的答案：

与此同时，大量暗物质存在的证据开始浮现：既有星系团内星系的运动，也有单个星系内部的运动。如果前者是正确的，那么宇宙对于其中的物体来说太年轻了。如果后者是正确的，那么总体而言，物质的含量必须非常少，以至于暗物质——尽管有明确的证据——仍然不可能存在。尽管我们对宏大的物理现实有了诸多理解，但宇宙的年龄、膨胀速度和物质构成之间似乎存在某种矛盾。

这些数据点按年份排序，显示了使用宇宙距离阶梯法对宇宙膨胀速率的不同测量结果，主要分为两组：一组聚集在 50 公里/秒/百万秒差距左右，另一组聚集在 100 公里/秒/百万秒差距左右。红色条形表示的是 2001 年发布的哈勃关键项目的结果。

图片来源：J. Huchra，2008

没错，1990年，哈勃太空望远镜发射升空。它之所以被命名为“哈勃”，并非像许多人认为的那样，是因为它是以埃德温·哈勃及其对天文学的诸多贡献命名的。并非如此；它之所以被命名为哈勃太空望远镜，是因为它的主要科学目的，就其设计初衷而言，就是一劳永逸地确定并测量哈勃常数，从而平息关于宇宙膨胀速度的争论。最终结果于2001年揭晓，温迪·弗里德曼领导的团队将其确定为72公里/秒/百万秒差距，不确定度仅为10%左右。但两组主要团队的测量结果都错了；哈勃常数的真实值实际上介于两者之间。

但在此期间，更令人震惊的事情发生了。两个独立的天文学家团队主要研究Ia型超新星的地面数据（主要收集自北美、南美和澳大利亚），他们感兴趣的不仅仅是宇宙膨胀的速度（即测量邻近宇宙中天体的距离与速度关系图的斜率），还试图测量膨胀率是如何随时间演变的。你看，就像这样：

这两个团队主要使用地面数据，甚至没有使用哈勃望远镜观测到的少量 Ia 型超新星数据，他们在 1998 年都得出了相同的结论：宇宙不仅在膨胀，而且在一种新形式的能量的驱动下，膨胀正在加速。

回溯时间和距离（“今天”左侧）可以揭示宇宙在未来将如何演化、加速/减速。通过将膨胀率与宇宙的物质和能量含量联系起来，并测量膨胀率，我们可以估算出自热大爆炸开始以来经过的时间。20世纪90年代末的超新星数据是第一组表明我们生活在一个富含暗能量的宇宙中，而不是一个以物质和辐射为主的宇宙的数据；“今天”左侧的数据点明显偏离了在20世纪大部分时间占据主导地位的标准“减速”情景。

图片来源：Saul Perlmutter/加州大学伯克利分校

这种新形式的能量与物质、辐射、中微子、反物质、暗物质或空间曲率（这些是迄今为止考虑的主要能量形式）并不一致。相反，这种形式的能量似乎与宇宙常数最为一致：一种固有于空间结构的能量形式。这就是我们所说的暗能量：非物质、非辐射、非中微子、非曲率、非暗物质形式的能量，它不仅是我们宇宙的一部分，而且实际上代表了宇宙中目前大部分的能量。如果所有其他形式的能量主宰宇宙，就会导致一个遥远的星系——一个最初在膨胀的宇宙中后退的星系——减慢它与我们之间的明显后退速度。

但随着时间的推移，暗能量似乎以越来越快的速度后退。这就是为什么我们现在谈论加速宇宙（以及为什么我们不再说“减速参数”），而暗能量是宇宙加速的原因。在此后的几年里，我们一直努力确定暗能量的性质，在比以往更远的距离测量了大量的 Ia 型超新星。虽然它似乎仍然与宇宙常数一致，但当你将超新星数据与宇宙微波背景数据和大规模结构调查数据结合起来时，有一些（但不是决定性的）证据表明暗能量可能不是一个常数，而可能随着时间的推移而（略微）演变。

这张动画是DESI绘制的宇宙大尺度结构3D地图，也是迄今为止最大的此类地图。其制作目的是为了研究暗能量及其可能的演化。然而，尽管他们发现了暗能量演化的证据，但这很可能是因为他们假设暗能量的演化导致了数据与我们标准宇宙学模型的差异。事实并非如此。

这就是暗能量：它是一种导致宇宙加速膨胀的能量形式，并且在过去60亿年里一直主宰着宇宙（因为物质和辐射密度都在持续下降）。由于宇宙大约由70%的暗能量、25%的暗物质、5%的正常物质以及少量的辐射和中微子组成，我们现在可以自信地得出结论，宇宙已有138亿年历史，膨胀速度约为70公里/秒/百万秒差距。这与我们迄今为止发现的最古老恒星的年龄相符：130亿年以上，140亿年以下。最终，你可能会觉得，宇宙是合理的。

事实上，我们确实拥有一套一致的现代宇宙学图景，我们称之为标准（或ΛCDM）宇宙学模型，或协和宇宙学模型。暗能量可能正在演化——也就是说，它可能并非我们最初称之为ΛCDM时所假设的“Λ”（爱因斯坦宇宙常数）——但它确实存在，确实主宰着宇宙，并且确实导致宇宙膨胀加速。它并非由哈勃太空望远镜发现，但自那以后，哈勃太空望远镜一直是我们识别和测量这些爆发为Ia型超新星的白矮星的最佳工具，使我们能够得出这些令人着迷的结论。一如既往，这项工作一直持续到今天。

这张图展示了 Pantheon+ 分析中涉及的 1550 颗超新星，并以星等与红移的关系来绘制。几十年来（自 1998 年以来），超新星数据一直指向宇宙以一种特殊的方式膨胀，这种膨胀需要某种超越物质、辐射和/或空间曲率的东西：一种驱动膨胀的新能量形式，即暗能量。所有超新星都遵循我们标准宇宙学模型所预测的轨迹，即使是红移最高、距离最远的 Ia 型超新星也遵循这种简单的关系。校准这种关系且不出现重大误差至关重要。

图片来源：D. Brout 等人/Pantheon+，《天体物理学杂志》，2022 年

但从21世纪初到21世纪初，一个新的、独立的谜题开始浮现：我们现在称之为“哈勃张力”。测量宇宙膨胀速度的方法不止一种，而是有很多种。当然，我们可以像哈勃、勒梅特和其他天文学家近一个世纪以来一直在做的那样：

这种从这里开始，逐渐向外延伸，一次使用一种观测方法的方法，就是所谓的“宇宙距离阶梯”方法，近 100 年来，这种方法一直被成功地用于测量宇宙距离和退行速度。

哈勃关键项目早在2001年就公布了哈勃常数为72公里/秒/百万秒差距的结果，该项目运用距离阶梯法取得了显著成效。如今，构建宇宙距离阶梯的方法多种多样，针对不同的“阶梯”采用了各种方法（天文学家称之为距离指标），但它们似乎都趋于一致：约为73公里/秒/百万秒差距。虽然大多数方法都存在较大的不确定性，但最好的方法能够将不确定性降低到1-2%。如果我们只需观察这些方法，就能对宇宙有一个完全一致的认识。我们将获得自由和清晰的认识。

距离阶梯法（红色）与 CMB 和 BAO 的早期信号数据（蓝色）的现代测量结果形成对比。早期信号法可能正确，而距离阶梯法存在根本性缺陷；早期信号法可能存在小规模误差，而距离阶梯法正确；或者两组数据都正确，而某种新物理（如上图所示）才是罪魁祸首。暗能量存在早期形式的想法很有趣，但这也意味着早期存在更多的暗能量，而且这些暗能量（大部分）已经衰变。

图片来源：AG Riess，Nat Rev Phys，2020

但是我们有另一种方法来测量宇宙的膨胀率：一种完全不使用距离阶梯法的方法。因为我们非常了解宇宙的早期历史——宇宙始于热大爆炸时炽热、致密、快速膨胀的状态，受到前一宇宙膨胀时期的一系列种子涨落的影响——我们知道一些极其重要的特征从这些早期就印刻在宇宙中。特别是在宇宙历史的最初几十万年里，它太热而无法形成中性原子，所有带电粒子（原子核和电子）都处于电离等离子体状态。引力将物质吸引到密度过大的区域，但辐射从这些区域流出，在原始等离子体中形成一系列“反弹”特征。

这些特征在晚期才会显现出来，印刻在大爆炸的剩余辉光（宇宙微波背景辐射，CMB）以及大尺度星系团中。通过测量今天宇宙膨胀 138 亿年后的 CMB 光，以及测量宇宙大尺度结构中的这些声学振荡特征，我们可以获得一种独立的方法，了解宇宙在其历史中是如何膨胀的。我们不是从附近开始回顾，而是从大爆炸开始，向前演变这些关键特征。这不是距离阶梯法，而是一种早期遗迹法。与距离阶梯值约 73 km/s/Mpc 不同，它给出的值要低得多：67 km/s/Mpc，同样具有约 1% 的微小不确定度。

使用距离阶梯法对2023年的各种膨胀率测量结果进行分析，具体取决于所使用的样本、分析方法和指标集。需要注意的是，CCHP小组是唯一获得“低”膨胀率值的小组，他们目前仅报告了统计不确定性，并未量化其系统不确定性。使用各种距离阶梯法，绝大多数人一致认为膨胀率约为73公里/秒/百万秒差距。

图片来源：L. Verde、N. Schoeneberg 和 H. Gil-Marin，《天文学和天体物理学年度评论》（已接受），2023 年

这就是“哈勃张力”的真正含义。它与暗能量有关吗？只是间接的。是的，它们都可以利用Ia型超新星的测量数据，因为Ia型超新星是我们目前拥有的用于距离阶梯测量的最精确的距离指标，也因为Ia型超新星测量对于测量暗能量非常重要。但如果我们完全忽略Ia型超新星，我们还有许多其他方法来测量它们：

这是两个不同的问题，都借助哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜等强大的太空望远镜的观测，而且都与不断膨胀的宇宙有关，但它们并不是同一个问题。

这引出了当今现代宇宙学面临的两个最大问题：暗能量的本质是什么（它是不是宇宙常数）；以及就哈勃张力而言，如何解释这两类不同的测量方法为何会得出两个截然不同、互不相容的宇宙膨胀速度测量结果？这些都是大问题，虽然我无法给出答案（如果可以，他们可能会授予我诺贝尔奖；这是成千上万天文学家和天体物理学家目前正在研究的课题），但我可以告诉你我们目前的进展，以及解开这些谜团的前景如何。

该图比较了哈勃太空望远镜造父变星和锚点以及詹姆斯·韦伯太空望远镜造父变星（或其他类型恒星）和锚点的其他子样本得出的H0值（即今天的膨胀率）。图中还显示了与普朗克方法（使用早期遗迹法而非距离阶梯法）的比较。显然，距离阶梯法和早期遗迹法无法得出相互兼容的结果。

图片来源：AG Riess 等人，《天体物理学杂志》提交，arXiv:2408.11770，2024 年

我们知道——而且根据我们收集到的全部证据，这一点不太可能改变——我们的宇宙是：

然而，与此同时，我们也有很多不确定的事情，这些不确定性本身就非常深刻。例如，我们不确定：

说实话，最后一种可能性让我夜不能寐。毕竟，CMB 绝对是一种早期遗留方法，它得出的较低值不确定度不超过 1%。所有距离阶梯法加在一起，平均值为 73-74 公里/秒/百万秒差距，其中最好的方法将不确定度降至 1-2%。如果将大尺度结构测量结果添加到早期遗留方法（CMB）或距离阶梯法（例如视差、造父变星和 Ia 型超新星）的结果中，它们与其中任何一个都完全一致。

然而，这两个值彼此之间却相差了整整 9%，如果您尝试将所有三个测量数据集放在一起，您会发现它们从根本上与单一的、中间的答案不兼容。

这张有趣的图表展示了超新星数据（右）、重子声学振荡（左）和宇宙微波背景（上）的结合对爱因斯坦宇宙常数Λ（即宇宙学常数）的影响。当这三组数据结合在一起时，宇宙学常数的概念就难以成立；有可能出现某种变化，但不一定一定是Λ。

图片来源：Claire Lamman

这就是为什么哈勃张力如此深奥难解。与大约50年前关于膨胀率的争论不同，我们今天的不确定性并不大；它们不是总值的10%或更多（仅为1-sigma）；它们只有几个百分点，甚至低至1%。人们不再对如何使用相同的方法测量同一事物产生分歧；人们使用相同的方法测量相同的事物，会得到相似的、彼此一致的结果。事实上，人们使用属于同一类方法的不同“测量标准”，无论是距离阶梯法还是早期遗迹法，仍然会得出相同的答案。

但是，如果你用根本不同的方法测量同一事物，它们应该会给出一致的结果。但对于哈勃常数，它们并不一致，我们不知道原因。许多人给出了理由，说“哦，也许这类观测结果有偏差或有缺陷”，但随着科学家们煞费苦心地证实其研究的可靠性，这些理由都被一一推翻了。

那么，最终的解决方案是什么呢？是新的粒子？新的场？还是某种能量衰变成另一种能量的早期形式？还是一个迄今未被发现的、意义深远的错误？

我们不确定。暗能量已经伴随我们超过25年了，而且不会消失，尽管它可能并非我们通常假设的宇宙常数。是否存在一个真正的膨胀速率，无论我们用什么方法测量，都可以同样适用？似乎没有，这就是哈勃张力的来源。这两个谜题都与宇宙的基本属性和组成成分相关，但就其最终解决方案而言，这必须等待我们的科学未来。目前，我们还不知道。

来源：人工智能学家