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Alleviating the $H_0$ tension through the interacting dark energy model from quantum gravitational field theory in light of DESI DR2

本研究利用最新的 DESI DR2、Planck、ACT 和 SH0ES 数据，证明了由渐近安全量子引力场论推导出的相互作用暗能量模型显著改善了宇宙学拟合度，并通过倾向于一个负的宇宙学常数动力学标度参数，将 $H_0$ 张力缓解至 $1.7\sigma$ 水平。

原作者： Yi-Min Zhang, Tian-Nuo Li, Guo-Hong Du, Sheng-Han Zhou, Li-Yang Gao, Jing-Fei Zhang, Xin Zhang

发布于 2026-06-23

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CC BY 4.0

原作者： Yi-Min Zhang, Tian-Nuo Li, Guo-Hong Du, Sheng-Han Zhou, Li-Yang Gao, Jing-Fei Zhang, Xin Zhang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，宇宙就像一个正在膨胀的巨大气球。几十年来，科学家们一直遵循着一个非常简单的宇宙膨胀规则，叫做 ΛCDM 模型。这就像是一个配方，它规定：“宇宙正以一种稳定、可预测的速度在膨胀。”这个配方在解释我们观测到的绝大多数宇宙现象方面表现得异常出色。

然而，这个配方存在一个重大问题：“速度计”的分歧。

科学家有两种测量宇宙当前膨胀速度（这个值被称为哈勃常数，或 H₀）的方法：

“婴儿照”法： 观察宇宙中最古老的光（宇宙微波背景辐射），并根据旧的配方计算出它在今天应该是以多快的速度膨胀。这种方法给出的速度约为 67。
“当前交通”法： 直接测量附近正在爆发的恒星（超新星）现在的速度。这种方法给出的速度约为 73。

这两个数字并不匹配。它们之间的差距之大，就像两个导航 App 同时告诉你，你现在的车速既是 67 英里/小时，又是 73 英里/小时。这种分歧被称为 H₀ 张力（H₀ tension），这让物理学家非常头疼，因为这表明我们的“配方”可能缺少了一种成分。

新的想法：一个“有生命”的配方

最近，名为 DESI（暗能量光谱仪）的新型望远镜发布了最新的数据。有趣的是，这些新数据似乎表明宇宙并不是以恒定的速率膨胀，而是随着时间的推移在改变速度。如果坚持使用旧的简单配方，这种变化会让“婴儿照”与“当前交通”测量值之间的分歧变得更加严重。

这篇论文的作者提出了一个疑问：如果我们微调一下配方呢？

他们研究了一种被称为**相互作用暗能量（Interacting Dark Energy）**的理论。请把宇宙想象成拥有两种不可见的流体：

物质（像恒星和星系这样的东西）。
暗能量（一种将宇宙推开的神秘力量）。

在旧的配方中，这两种流体互不干扰。但在这种新想法中，它们会发生相互作用。想象一下，它们就像两位手牵手的舞者。随着宇宙的膨胀，它们互相拉扯，改变了舞蹈的节奏。这种相互作用基于一种“量子引力”理论，该理论认为物理学的基本规则（比如引力本身）可能会随着宇宙年龄的增长而发生细微变化。

他们做了什么

研究团队整合了来自以下方面的最新数据：

DESI（新的星系图谱），
Planck（宇宙的婴儿照），
超新星（当前的交通情况），
以及 SH0ES 团队（他们对局部速度的测量非常精确）。

他们将这些数据代入两个稍微复杂一些的新配方中进行运行：

eΛCDM： 一个相互作用由单一规则驱动的版本。
eeΛCDM： 一个相互作用具有两个独立规则（更具灵活性）的版本。

结果：更好的契合度

以下是他们发现的结果，使用简单的术语来表达：

旧的配方 (ΛCDM)： 依然举步维艰。即使有了新数据，两种速度测量值之间的差距仍然巨大（大约是正常误差范围的 4 到 5 倍）。
新的“舞蹈”配方 (eeΛCDM)： 这个模型表现得好得多。
- 它发现，这两种不可见流体之间的“相互作用”是轻微负向的（就像一个随时间逐渐松开的刹车）。
- 由于这种相互作用，数学计算允许宇宙比旧配方预测的速度稍快一些，但又没有达到局部测量值那么快。
- 神奇数字： 当他们结合所有数据时，这个新模型计算出的膨胀速度为 70.8。
- 结果： 这个数字恰好位于两个冲突测量值的中间位置。它将“哈勃张力”从一个巨大的 5-sigma 问题缩小到了一个更易处理的 1.7-sigma 问题。用通俗的话说：这种分歧现在已经小到可能仅仅是一个统计学上的偶然现象，而不是某种破碎的物理定律。

为什么这很重要

论文结论指出，这种“相互作用暗能量”模型（特别是 eeΛCDM 版本）是解决宇宙速度计问题的有力竞争者。

它更符合数据： 从统计学上看，新模型比旧模型能更准确地解释观测结果。
它解决了张力： 它使相互冲突的测量值更加接近。
它不仅仅是一个猜测： 该模型是基于关于量子层面引力如何运作的深刻理论，而不仅仅是为了让数字匹配而进行的随机微调。

总而言之： 宇宙可能是一个舞池，其中的不可见力量实际上正手牵着手，并改变着节拍。如果我们接受这场“舞蹈”，那些相互冲突的速度测量值终于开始变得合理，而现代宇宙学中最大的谜团也随之缩小了许多。

技术摘要：通过量子引力场论中的相互作用暗能量缓解 $H_0$ 张力

问题陈述
标准宇宙学模型 ( $\Lambda$ CDM) 正面临着一个被称为 $H_0$ 张力的重大危机，即从宇宙微波背景 (CMB) 数据推断出的哈勃常数 ( $H_0 \approx 67.4$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ) 与来自 SH0ES 的局部距离阶梯测量值 ( $H_0 \approx 73.0$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ) 之间存在超过 $5\sigma$ 的差异。最近的数据发布，特别是来自暗能量光谱仪 (DESI) 的第二份数据发布 (DR2)，进一步复杂化了这一局面。虽然 DESI DR2 的 BAO 数据结合 CMB 和超新星 (SN) 数据显示出对动力学暗能量（特别是 $w_0w_a$ CDM 模型）的强烈偏好，但这种偏好却矛盾地加剧了 $H_0$ 张力，将差异推高到了 $4.2\sigma$ 的水平。作者认为，缓解这一张力的途径可能不在于标准的动力学暗能量，而在于源自渐近安全框架下的量子引力场论的相互作用暗能量模型。

方法论
本研究调查了两种受渐近安全情景启发的相互作用暗能量模型，在这种情景下，引力常数 $G$ 和宇宙学常数 $\Lambda$ 并非固定不变，而是随能量标度（红移 $z$ ）演化：

$e\Lambda$ CDM： 一个单参数扩展模型，其中临界指数 $\delta_G$ （控制 $G$ ）和 $\delta_\Lambda$ （控制 $\Lambda$ ）通过低红移约束相关联（ $\delta_\Lambda \simeq 0.47 \delta_G$ ）。
$ee\Lambda$ CDM： 一个双参数扩展模型，其中 $\delta_G$ 和 $\delta_\Lambda$ 被视为独立的自由参数。

背景演化被修正为 $G(z) = G_0(1+z)^{-\delta_G}$ 和 $\Lambda(z) = \Lambda_0(1+z)^{\delta_\Lambda}$ 。作者使用综合数据集组合进行观测约束：

CMB： Planck 和 ACT DR6 数据。
BAO： DESI DR2 数据（包括星系、类星体和 Lyman- $\alpha$ 森林）。
超新星： DESY5 和 PantheonPlus 汇编。
局部哈勃常数： SH0ES 先验（ $H_0 = 73.04 \pm 1.04$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ）。

参数估计是通过使用 Cobaya 框架并对接修改版 Boltzmann 求解器 CAMB 的马尔可夫链蒙特卡洛 (MCMC) 分析进行的。模型性能通过相对于标准 $\Lambda$ CDM 模型的 $\Delta\chi^2_{min}$ 和偏差信息准则 (DIC) 进行评估。

关键结果

$ee\Lambda$ CDM 表现： 双参数 $ee\Lambda$ CDM 模型展示了缓解 $H_0$ 张力的显著能力，特别是在包含 SH0ES 数据时。在 CMB+DESI+SH0ES 组合中，该模型得出 $H_0 = 70.84 \pm 0.74$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ，将张力降低至 $1.7\sigma$ 。
参数约束： 这一较高的 $H_0$ 值是由宇宙学常数标度参数的负偏差驱动的，即 $\delta_\Lambda = -0.270 \pm 0.100$ ，该值在 $2.7\sigma$ 水平上偏离零。分析表明 $\delta_\Lambda$ 与 $H_0$ 之间存在强烈的反相关性；负的 $\delta_\Lambda$ 意味着一种增强有效宇宙学常数的动力学演化，从而提高了推断的膨胀率。
与 $w_0w_a$ CDM 的比较： 虽然 DESI 数据偏好 $w_0w_a$ CDM 模型，但作者发现该模型恶化了 $H_0$ 张力（在 CMB+DESI 组合下达到 $4.2\sigma$ ）。相比之下， $ee\Lambda$ CDM 模型即使在没有 SH0ES 时也能提供轻微的缓解（在仅使用 CMB+DESI 时将张力降至 $2.9\sigma$ ），并且在包含 SH0ES 时实现了实质性的缓解。
统计偏好： $ee\Lambda$ CDM 模型在特定的数据集组合下显示出比 $\Lambda$ CDM 显著改善的拟合质量。对于 CMB+DESI+SH0ES，研究报告 $\Delta\chi^2_{min} = -14.14$ 和 $\Delta DIC = -9.18$ ，表明即使在对额外的自由参数进行惩罚后，该相互作用模型仍表现出强烈的统计偏好。
$e\Lambda$ CDM 的局限性： 单参数 $e\Lambda$ CDM 模型相比 $\Lambda$ CDM 仅显示出适度的改进，其中 $\delta_G$ 在低显著性水平上与零保持一致，这表明 $\Lambda$ 的独立演化（由 $\delta_\Lambda$ 捕捉）对于缓解张力至关重要。

意义与主张
本文声称，植根于量子引力渐近安全的 $ee\Lambda$ CDM 模型为标准 $\Lambda$ CDM 范式提供了一个引人注目的替代方案。其主要意义在于，它能够同时容纳 DESI DR2 数据所暗示的动力学行为偏好，并解决 $H_0$ 张力，而标准的动力学暗能量模型无法实现这一目标。作者得出结论，相互作用暗能量情景（特别是双参数扩展）不仅能更好地拟合观测数据，还通过 $\delta_\Lambda$ 与 $H_0$ 的反相关性提供了一种理论机制，用以调和早期宇宙与晚期宇宙哈勃常数测量之间的差异。这项工作表明，未来 DESI、CMB 和 SN 数据的结合将进一步测试此类相互作用的存在及其暗能量的本质。

新的想法：一个“有生命”的配方

他们做了什么

结果：更好的契合度

为什么这很重要

技术摘要：通过量子引力场论中的相互作用暗能量缓解 H0H_0H0​ 张力

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