晚期宇宙學測量中，哈伯常數（H0）是否存在動態趨勢？

核心概念

晚期宇宙學測量中，哈伯常數（H0）呈現出隨紅移變化的動態趨勢，此現象挑戰了宇宙學標準模型，並暗示哈伯張力不僅存在於早期和晚期測量之間，也存在於晚期數據本身。

摘要

研究論文摘要

• 文獻資訊： Lopez-Henandez, M., & De-Santiago, J. (2024). Is there a dynamical tendency in H0 with late time measurements? [arXiv:2411.00095v1].
• 研究目標： 本研究旨在探討晚期宇宙學測量中，哈伯常數（H0）是否會隨著紅移變化而呈現動態趨勢。
• 研究方法： 研究人員使用最新的宇宙學數據，包括宇宙計時器、微波激射器、Ia 型超新星和 DESI-BAO 數據，這些數據涵蓋了從紅移 z ∼0 到 z ∼2.3 的範圍。他們將數據分為不同的紅移區間，並分別從每個區間推導出 H0 值，並使用二次參數化和傅立葉參數化來分析 H0 的動態趨勢。
• 主要發現： 研究結果顯示，H0 在不同的紅移範圍內呈現出動態演化，顯著性在 1.5σ 到 2.3σ 之間，具體取決於參數化方式。H0 在 z < 0.5 時隨紅移減小，在 0.5 < z < 0.9 範圍內上升至 ∼78 km s−1Mpc−1，然後在更高的紅移處再次下降。
• 主要結論： 研究結果表明，哈伯張力可能不僅存在於早期和晚期測量之間，也存在於晚期數據本身。這意味著宇宙學標準模型可能需要進一步修正，才能解釋 H0 的動態趨勢。
• 研究意義： 這項研究為理解哈伯張力的本質提供了新的視角，並強調了需要更精確的宇宙學測量和模型來解決這個問題。
• 研究限制和未來方向： 研究人員指出，由於數據的質量和數量有限，特別是在高紅移處，因此需要更多數據來確認 H0 的動態趨勢。未來的研究可以集中於獲取更精確的宇宙學數據，並探索新的宇宙學模型，以解釋 H0 的動態演化。

統計資料

哈伯常數的差異在早期和晚期測量中高達 4σ。
研究使用了 6 個微波激射器的距離和退行速度數據，紅移範圍為 0.002 ≤z ≤0.034。
研究使用了 32 個宇宙計時器數據，紅移範圍為 0.07 ≤z ≤2。
研究使用了 DESI 第一年的數據，包括紅移為 0.30、0.51、0.71、0.93、1.32、1.49 和 2.33 的 BAO 測量值。
研究使用了三個 Ia 型超新星數據集：Pantheon+（1,590 個超新星，紅移範圍為 0.01 ≤z ≤2.26）、DES Y5（1,635 個新的光度分類超新星和 194 個低紅移超新星，紅移範圍為 0.025 ≤z ≤1.3）和 Union3（22 個數據點，來自 2087 個超新星，紅移範圍為 0.05 ≤z ≤2.26）。
SH0ES 團隊測得的哈伯常數為 H0 = 73.04 ± 1.04 km s−1Mpc−1。
普朗克衛星在 ΛCDM 模型下測得的哈伯常數為 H0 = 67.4 ± 0.5 km s−1Mpc−1。

引述

"The discrepancy between the Hubble constant H0 values derived from early-time and late-time measurements, reaching up to 4σ, represents the most serious challenge in modern cosmology and astrophysics."
"Our analysis reveals a phenomenological dynamic evolution in H0 across different redshift ranges, with a significance from 1.5σ and 2.3σ, depending on the parameterization."
"Consistency of the model demands observational constancy of H0 since it is an integration constant within the Friedmann-Lemaˆıtre-Robertson-Walker (FLRW) metric."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Is there a dynamical tendency in H0 with late time measurements?

by Mauricio Lop... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00095.pdf

深入探究

如果哈伯常數的確隨時間或空間變化，這將如何改變我們對宇宙演化的理解？

如果哈伯常數並非一個真正的常數，而是隨著時間或空間變化，這將對我們現有的宇宙演化模型產生深遠的影響。以下列出幾個主要的改變：

挑戰ΛCDM模型的基石： 現今標準的宇宙學模型ΛCDM模型建立在宇宙學原理的基礎上，該原理假設宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的。哈伯常數作為宇宙膨脹速率的度量，如果被證實並非常數，意味著宇宙膨脹並非均勻，這將直接挑戰ΛCDM模型的基石。
暗能量模型的革新： ΛCDM模型中，宇宙加速膨脹被歸因於暗能量的存在。如果哈伯常數隨時間變化，可能意味著暗能量並非如我們所想是一個具有固定能量密度的宇宙學常數，而是一個具有動態演化的能量形式。這將推動我們探索新的暗能量模型，例如具有隨時間變化的狀態方程的暗能量模型。
宇宙年齡的重新估計： 哈伯常數的倒數可以粗略估計宇宙的年齡。如果哈伯常數並非常數，我們需要根據其隨時間的演化規律重新估計宇宙的年齡，這可能會影響我們對宇宙早期演化歷史的理解。
宇宙學距離的修正： 天文學家利用哈伯定律和標準燭光天體來測量宇宙學距離。如果哈伯常數隨空間變化，我們需要對現有的宇宙學距離測量方法進行修正，這將影響我們對星系距離和宇宙大尺度結構的認知。

總而言之，哈伯常數的非恆定性將迫使我們重新審視現有的宇宙學模型，並探索新的物理機制來解釋宇宙的膨脹歷史和物質組成。

是否有可能是某些未知的系統誤差導致了哈伯常數的動態趨勢，而不是宇宙學模型本身的問題？

的確，未知的系統誤差是導致哈伯常數動態趨勢的一個可能解釋，不能排除這個可能性。以下列出幾個可能導致觀測結果出現偏差的系統誤差：

標準燭光天體的校準問題： 天文學家利用Ia型超新星作為標準燭光來測量宇宙學距離。然而，Ia型超新星的亮度並非完全一致，需要進行一定的校準。如果校準過程中存在系統誤差，就可能導致哈伯常數的測量結果出現偏差。
宇宙塵埃的影響： 宇宙塵埃會吸收和散射星光，導致天體的觀測亮度變暗，進而影響距離的測量。如果沒有正確地考慮宇宙塵埃的影響，也可能導致哈伯常數的測量結果出現偏差。
引力透鏡效應： 當光線經過大質量天體附近時，會受到引力場的影響而發生彎曲，這種現象稱為引力透鏡效應。引力透鏡效應會導致天體的觀測亮度和位置發生變化，進而影響距離的測量。如果沒有正確地考慮引力透鏡效應的影響，也可能導致哈伯常數的測量結果出現偏差。
儀器校準和數據處理： 不同的觀測設備和數據處理方法也可能引入系統誤差。例如，宇宙微波背景輻射的觀測數據需要經過複雜的數據處理過程才能得到哈伯常數的約束，而數據處理過程中的一些細微差異就可能導致結果出現偏差。

為了排除系統誤差的影響，天文學家需要不斷改進觀測設備和數據處理方法，並對不同的觀測結果進行交叉驗證。同時，理論學家也需要發展更精確的宇宙學模型，以便更準確地預測哈伯常數的數值。

假設我們可以發射一個探測器到遙遠的星系進行直接測量，我們是否能夠最終確定哈伯常數是否為一個真正的常數？

即使我們可以發射探測器到遙遠的星系進行直接測量，要最終確定哈伯常數是否為一個真正的常數仍然非常困難。
挑戰：

技術限制： 將探測器發射到遙遠星系需要克服巨大的技術挑戰。遙遠星系的距離以數十億光年計，探測器需要飛行極其漫長的時間才能抵達目的地。此外，探測器需要攜帶足夠的燃料和能源，並具備在極端環境下長期運行的能力。
單一測量點的局限性： 即使探測器成功抵達遙遠星系並進行測量，也只能得到該星系在特定時間和空間位置的哈伯常數值。要確定哈伯常數是否為常數，需要在不同的時間和空間位置進行多次測量，而這在現階段是不現實的。
宇宙演化的影響： 宇宙處於不斷的膨脹和演化之中，哈伯常數本身也可能隨著時間推移而發生變化。即使我們能夠在不同的時間和空間位置進行多次測量，也難以區分哈伯常數的真實變化和宇宙演化的影響。

替代方案：
相較於發射探測器進行直接測量，更為可行的方法是繼續提高現有觀測設備的精度，並發展新的觀測技術，例如：

利用引力波： 引力波的傳播速度為光速，並且不受宇宙塵埃和引力透鏡效應的影響，可以作為測量宇宙學距離的標準 sirena。通過觀測來自遙遠星系的引力波事件，可以更精確地測量哈伯常數。
發展新的標準燭光天體： 除了Ia型超新星之外，天文學家也在積極尋找其他可以作為標準燭光的天體，例如造父變星、紅巨星分支星等。通過結合不同類型標準燭光的觀測數據，可以更準確地測量宇宙學距離和哈伯常數。

總之，要最終確定哈伯常數是否為一個真正的常數，需要長期的觀測和理論研究。我們需要不斷提高觀測精度，發展新的觀測技術，並結合更精確的宇宙學模型，才能逐步揭開宇宙膨脹的奧秘。