摘要：现代宇宙学正面临一场深刻的危机。核心问题在于我们宇宙的膨胀速度——哈勃常数——的测量值出现了令人不安的差异。来自早期宇宙的观测与我们“家门口”的测量结果之间存在着显著的不一致，而最新的研究进一步证实了这种差异，暗示我们对宇宙的理解可能存在根本性的缺陷，甚至预示
现代宇宙学正面临一场深刻的危机。核心问题在于我们宇宙的膨胀速度——哈勃常数——的测量值出现了令人不安的差异。来自早期宇宙的观测与我们“家门口”的测量结果之间存在着显著的不一致，而最新的研究进一步证实了这种差异，暗示我们对宇宙的理解可能存在根本性的缺陷，甚至预示着“新物理学”的曙光。
图释：对地球和后发星系团之间距离的极其精确的测量为宇宙的膨胀速度比预期的要快提供了新的证据。信用：NOIRLab
宇宙的膨胀是现代宇宙学的基石。哈勃常数（H₀）正是描述宇宙膨胀速率的关键参数，单位是千米每秒每百万秒差距（km/s/Mpc）。这意味着，一个星系距离我们每增加一百万秒差距（约326万光年），其退行速度就增加相应的哈勃常数值。长期以来，天文学家致力于精确测量这个常数，以更好地理解宇宙的年龄、大小和演化。
测量哈勃常数主要有两种独立的方法。第一种方法是基于对早期宇宙的观测，特别是宇宙微波背景辐射（CMB）。CMB是宇宙大爆炸的“余晖”，携带着婴儿时期宇宙的信息。通过分析CMB的温度涨落，我们可以推算出早期宇宙的膨胀速率，并根据标准宇宙学模型（ΛCDM模型，包含暗物质和暗能量）外推到现在。普朗克卫星的观测结果给出的哈勃常数值约为 67.4 km/s/Mpc。
第二种方法是“宇宙距离阶梯”。这种方法依赖于测量一系列天体的距离，从附近的造父变星到遥远的Ia型超新星。造父变星是一种亮度周期与光度相关的脉动恒星，通过测量其脉动周期可以确定其真实亮度，再与观测到的亮度比较，就能计算出距离。Ia型超新星则是一种更明亮的“标准烛光”，可以用来测量更遥远的距离。利用这些“标尺”，天文学家可以构建起宇宙的距离阶梯，并独立地测量出哈勃常数。然而，通过这种方法得到的哈勃常数值却明显偏高，通常在 73 km/s/Mpc 左右，两者差异高达9%左右，统计显著性非常高。
这种差异并非简单的测量误差，而是持续存在且不断被精确化的矛盾，被称为“哈勃张力”。如果两种测量方法都正确无误，那么就意味着我们现有的宇宙学模型可能存在问题。最近发表在《天体物理学杂志快报》上的研究，利用詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）对大麦哲伦星云中的造父变星进行了精确观测，进一步加剧了这场“危机”。
此前的争议在于，基于哈勃空间望远镜的造父变星观测可能受到星云中尘埃和恒星拥挤度的影响，导致距离测量不准确。而JWST凭借其强大的红外观测能力，能够更清晰地穿透尘埃，获得更精确的造父变星光度测量。新的研究确认了哈勃空间望远镜的测量结果，排除了此前一些对距离阶梯法的质疑，使得哈勃常数的“地方性”测量结果更加可靠。
哈勃张力的存在，迫使科学家们重新审视我们对宇宙的理解。最直接的可能是我们的标准宇宙学模型存在缺陷。一些理论物理学家提出了各种可能的解释，试图弥合这一差距。
一种可能的解释是“早期暗能量”。标准ΛCDM模型认为暗能量密度在宇宙演化的过程中是常数。然而，如果早期宇宙存在一种性质不同的暗能量，它可能会加速早期宇宙的膨胀，从而影响CMB的测量结果，使其与现在的测量不符。另一种可能性是存在“暗辐射”，即除了我们已知的粒子之外，宇宙中还存在着额外的、以接近光速运动的粒子。这些暗辐射会影响早期宇宙的膨胀速率，进而影响哈勃常数的推算。
还有一些更激进的猜想，例如“修改引力理论”。爱因斯坦的广义相对论是现代引力理论的基石，但它可能在宇宙学尺度上失效。一些科学家正在研究修改广义相对论的可能性，以解释哈勃张力。例如，一些理论认为引力在非常大的尺度上可能比我们想象的要弱。
此外，还有一些研究探索了宇宙局部空洞的可能性。如果我们的银河系恰好位于一个密度相对较低的宇宙空洞中，那么局部的膨胀速率可能会比宇宙的平均膨胀速率更高，从而导致哈勃张力的产生。然而，目前的观测证据并不完全支持这种观点。
哈勃张力不仅仅是一个数字上的差异，它关乎我们对宇宙基本组成、演化和命运的理解。如果最终证实这种差异并非测量误差，而是真实存在的物理现象，那么这将是自暗物质和暗能量被发现以来，宇宙学领域最重大的突破之一。它将迫使我们修改甚至彻底革新我们现有的宇宙学模型，打开通往“新物理学”的大门。
未来的研究将集中在提高哈勃常数测量的精度，并寻找新的、独立的测量方法。例如，引力波天文学提供了一种全新的测量哈勃常数的方式，通过探测遥远星系中发生的致密天体并合产生的引力波信号，可以独立地推算出宇宙的膨胀速率。随着更多数据的积累和分析，我们有望最终揭开哈勃张力的神秘面纱，并对宇宙有更深刻的认识。无论结果如何，这场“危机”都将推动宇宙学迈向新的纪元。
参考文献：
Daniel Scolnic et al, The Hubble Tension in Our Own Backyard: DESI and the Nearness of the Coma Cluster, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ada0bd
来源：人工智能学家