二維重子聲學振盪與三維重子聲學振盪：利用替代宇宙學模型解決哈伯常數爭議

核心概念

本研究認為，傳統三維重子聲學振盪（BAO）資料的模型依賴性可能會導致哈伯常數（H0）值偏低，進而加劇哈伯常數爭議。相對地，使用模型依賴性較低的二維重子聲學振盪（BAOtr）資料，並結合雙度規重力理論，可以得到與本地測量結果一致的哈伯常數，從而緩解哈伯常數爭議。

摘要

二維重子聲學振盪與三維重子聲學振盪：利用替代宇宙學模型解決哈伯常數爭議

研究背景

• 哈伯常數（H0）是宇宙膨脹速率的重要指標，但目前存在兩種主要的測量方法所得結果不一致的「哈伯常數爭議」。
• 一種方法是基於本地距離階梯，例如由 SH0ES 團隊得到的 H0 = (73.0 ± 1.0) km/s/Mpc。
• 另一種方法是基於宇宙學模型，例如利用普朗克衛星數據和 ΛCDM 模型推斷出的 H0 = (67.8 ± 0.5) km/s/Mpc。
• 這種差異已達到 5σ，難以用統計誤差解釋，因此學界積極探討是否存在新物理學可以解決這個爭議。

本研究內容

• 本研究探討了雙度規重力理論對哈伯常數爭議的影響。
• 雙度規重力理論是廣義相對論的自然延伸，假設存在兩個動力學的自旋-2 場（度規），並預測宇宙經歷了從早期負宇宙學常數到晚期正宇宙學常數的轉變。
• 研究人員利用宇宙微波背景輻射、Ia 型超新星和重子聲學振盪（BAO）數據，對雙度規重力模型進行了限制。
• 他們發現，使用傳統的三維 BAO 數據會加劇哈伯常數爭議，而使用模型依賴性較低的二維橫向 BAO 數據（BAOtr）則可以得到與本地測量結果一致的哈伯常數。

主要發現

• 使用 CMB、SNIa 和 BAOtr 數據對雙度規重力模型進行擬合，得到的哈伯常數為 H0 = (71.0 ± 0.9) km/s/Mpc，與 SH0ES 的結果一致。
• 若將 BAOtr 數據替換為傳統的三維 BAO 數據，則得到的哈伯常數為 H0 = (68.6 ± 0.5) km/s/Mpc，與 SH0ES 的結果仍存在顯著差異。

研究結論

• 本研究結果表明，傳統三維 BAO 數據的模型依賴性可能會導致哈伯常數值偏低，進而加劇哈伯常數爭議。
• 使用模型依賴性較低的二維 BAO 數據，並結合雙度規重力理論，可以得到與本地測量結果一致的哈伯常數，從而緩解哈伯常數爭議。

研究意義

• 本研究強調了在分析替代宇宙學模型時，使用模型依賴性較低的數據的重要性。
• 未來需要對三維 BAO 數據進行更深入的分析，以減少其模型依賴性，並進一步驗證雙度規重力理論在解決哈伯常數爭議方面的潛力。

統計資料

SH0ES 團隊於 2022 年得到的哈伯常數估計值為 H0 = (73.0 ± 1.0) km/s/Mpc。
普朗克衛星數據推斷出的哈伯常數值為 H0 = (67.8 ± 0.5) km/s/Mpc。
使用 CMB、SNIa 和 BAOtr 數據對雙度規重力模型進行擬合，得到的哈伯常數為 H0 = (71.0 ± 0.9) km/s/Mpc。
使用 CMB、SNIa 和 三維 BAO 數據對雙度規重力模型進行擬合，得到的哈伯常數為 H0 = (68.6 ± 0.5) km/s/Mpc。

引述

"The most discrepant estimates is between the local H0 measurement from the SH0ES team, H0 = (73.0 ± 1.0) km/s/Mpc [2], and the inferred value from the inverse distance ladder using Planck satellite data, H0 = (67.8 ± 0.5) km/s/Mpc [3]."
"Thus, we are not surprised to find that this theory has beneficial effects on the Hubble tension when 2D BAO data is used in combination with CMB and SNIa."
"By combining 2D BAO data with cosmic microwave background and type Ia supernovae data, we find that the inverse distance ladder in this theory yields a Hubble constant of H0 = (71.0 ± 0.9) km/s/Mpc, consistent with the SH0ES local distance ladder measurement of H0 = (73.0 ± 1.0) km/s/Mpc."
"Replacing 2D BAO with 3D BAO results in H0 = (68.6 ± 0.5) km/s/Mpc from the inverse distance ladder."

從以下內容提煉的關鍵洞見

2D BAO vs 3D BAO: solving the Hubble tension with an alternative cosmological model

by Sowm... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2407.04322.pdf

深入探究

除了雙度規重力理論，還有哪些其他的替代理論可以潛在地解決哈伯常數爭議？

除了雙度規重力理論，還有許多其他的替代理論試圖解決哈伯常數爭議，這些理論主要可以分為兩大類：
1. 修改早期宇宙的演化歷史：

早期暗能量模型 (Early Dark Energy, EDE): 此類模型假設在輻射主導時期存在一種額外的暗能量成分，它會短暫地加速宇宙膨脹，並在之後衰變成標準模型粒子。這種早期加速膨脹可以改變宇宙的聲學振盪尺度，進而影響從宇宙微波背景輻射和重子聲學振盪數據中推斷出的哈伯常數。
變化的基本常數模型: 這些模型假設一些基本物理常數，例如精細結構常數或電子質量，在宇宙早期可能與現在不同。這些變化的常數會影響宇宙的膨脹歷史，並可能緩解哈伯常數爭議。
非標準宇宙學模型: 例如修改引力理論、引入額外維度、或考慮宇宙暴脹模型的變種等，都可能改變早期宇宙的演化歷史，進而影響哈伯常數的推斷。
2. 修改晚期宇宙的演化歷史：

互動式暗能量模型 (Interacting Dark Energy): 此類模型假設暗能量與暗物質之間存在非引力相互作用，從而改變暗能量的演化方程，並影響晚期宇宙的膨脹歷史。
修改重力理論: 除了雙度規重力，還有許多其他的修改重力理論，例如f(R)重力、標量-張量理論等，這些理論預測了與廣義相對論不同的引力效應，並可能在宇宙學尺度上改變宇宙的膨脹歷史。
需要注意的是，這些替代理論都還存在著各自的理論和觀測上的挑戰，目前還沒有任何一個理論能夠完全解決哈伯常數爭議。

如果未來的觀測結果表明二維 BAO 和三維 BAO 數據之間的差異並非由於模型依賴性造成，那麼這將如何影響我們對宇宙膨脹歷史的理解？

如果未來的觀測結果證實二維 BAO 和三維 BAO 數據之間的差異並非模型依賴性造成，這將對我們理解宇宙膨脹歷史產生重大影響，意味著：

標準宇宙學模型可能存在缺陷： 現有的宇宙學模型，特別是ΛCDM模型，可能無法準確描述宇宙的膨脹歷史。這意味著我們需要引入新的物理機制或修改現有的理論框架，才能解釋觀測數據。
新的物理學可能在起作用： 二維 BAO 和三維 BAO 數據之間的差異可能暗示著新的物理學的存在，例如新的相互作用、新的粒子或新的場。這些新的物理成分可能會影響宇宙的膨脹歷史，並導致觀測到的差異。
需要重新審視宇宙學距離的測量方法： 二維 BAO 和三維 BAO 數據的差異可能源於我們對宇宙學距離的測量方法存在系統誤差。這意味著我們需要改進現有的測量技術，或開發新的測量方法，才能更準確地測量宇宙學距離。

總之，如果二維 BAO 和三維 BAO 數據之間的差異被證實並非模型依賴性造成，這將是一個重要的發現，它將迫使我們重新思考現有的宇宙學模型，並探索新的物理學來解釋觀測數據。

假設哈伯常數爭議最終被證明是由於我們尚未理解的系統誤差所致，那麼這將對當前宇宙學研究的哪些方面產生最大的影響？

如果哈伯常數爭議最終被證明是由於我們尚未理解的系統誤差所致，這將對當前宇宙學研究的以下幾個方面產生最大的影響：

宇宙學距離的測量： 這將促使我們更加重視對宇宙學距離測量方法的校準和誤差分析。科學家們將更加努力地尋找和消除各種可能的系統誤差，以提高測量精度。
宇宙標準模型的檢驗： 哈伯常數爭議是當前宇宙學中最大的謎團之一，它也成為了檢驗宇宙標準模型（ΛCDM模型）的重要指標。如果爭議是由於系統誤差導致的，那麼ΛCDM模型將得到進一步的支持。
對暗能量的理解： 哈伯常數的精確測量對於理解暗能量的性質至關重要。如果爭議是由於系統誤差導致的，那麼我們需要重新評估暗能量的性質，並尋找新的理論模型來解釋觀測數據。
天文觀測設備的發展： 為了更精確地測量宇宙學距離，我們需要發展更加先進的天文觀測設備，例如更高分辨率的望遠鏡、更靈敏的探測器等。

總之，如果哈伯常數爭議最終被證明是由於系統誤差導致的，這將促使我們更加嚴謹地對待宇宙學研究中的各種測量和分析方法，並推動天文觀測技術的進一步發展。