🔭 astrophysics

New $H(z)$ measurement at Redshift = 0.12 with DESI Data Release 1

该研究利用 DESI 数据发布 1 中四千多颗大质量被动演化星系的全光谱拟合结果，独立推导出红移 $z=0.12$ 处的哈勃参数测量值为 $71.33 \pm 4.20~{\rm km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$ ，该结果与其他方法得出的结论高度一致。

原作者： Ze-fan Wang, Lei Lei, Yi-zhong Fan

发布于 2026-04-17

📖 1 分钟阅读☕ 轻松阅读

CC BY 4.0

原作者： Ze-fan Wang, Lei Lei, Yi-zhong Fan

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

这篇论文就像是一次宇宙考古大发现，科学家们利用最新的“宇宙望远镜”数据，重新测量了宇宙膨胀的速度。

为了让你轻松理解，我们可以把这篇论文的内容想象成**“给宇宙测心跳”**的故事。

1. 核心任务：给宇宙测“心跳”

想象一下，宇宙是一个正在长大的孩子，它的“心跳”就是哈勃参数（H(z)）。这个数值告诉我们宇宙膨胀得有多快。

为什么重要？ 目前科学界对宇宙现在的膨胀速度有两个不同的测量结果，就像两个医生给同一个病人量体温，一个说 37 度，一个说 38 度。这中间的差异被称为“哈勃张力”，可能是我们漏掉了什么重要的物理规律。
这篇论文做了什么？ 作者们用了一种全新的、独立的方法，重新测量了宇宙在“年轻时期”（红移 0.12，也就是大约 10 多亿年前）的膨胀速度，试图解开这个谜题。

2. 数据来源：DESI 的“超级相机”

作者们使用了DESI（暗能量光谱仪器） 的数据。

比喻： 想象 DESI 是一个拥有5000 根光纤触手的超级机器人，它像章鱼一样，一次能同时抓住 5000 个星系，给它们拍“光谱照”（就像给星系做指纹识别）。
样本： 他们从 DESI 发布的第一批海量数据中，精心挑选了4000 多个特殊的星系。

3. 关键角色：宇宙的“老时钟”

要测量宇宙膨胀，我们需要知道星系“多大岁数”了。作者们专门挑选了一类特殊的星系，称为**“宇宙时钟”（Cosmic Chronometers）**。

什么样的星系？ 它们是**“老态龙钟”的椭圆星系**。
- 它们很重（质量大）。
- 它们很安静（不再像婴儿一样疯狂制造新恒星，而是处于“退休”状态）。
为什么选它们？ 就像一群同龄人一起出生、一起变老，如果这群人不再受外界干扰（比如不再有新宝宝出生），那么通过观察他们现在的状态，就能非常准确地推算出他们出生了多久。
筛选过程： 作者们像挑剔的选角导演，用各种标准（比如颜色、光谱特征）从几百万个星系中，只留下了这 4000 多个最符合“安静老人”标准的星系。

4. 研究方法：给星系“做 CT 扫描”

有了样本，怎么知道它们的年龄？

工具： 他们使用了一个叫 BAGPIPES 的超级软件（就像给星系做全身体检的 AI 医生）。
过程： 软件把星系发出的光（光谱）和照片（测光数据）放在一起，通过复杂的数学模型，反推出这些星系是什么时候开始形成恒星的，以及它们现在的年龄是多少。
创新点： 以前的方法可能依赖某些宇宙学假设（就像先假设病人是健康的再量体温），但这次他们去掉了这些预设，让数据自己说话，这样测出来的结果更纯粹、更独立。

5. 核心发现：算出“心跳”速度

通过比较不同距离（红移）的星系年龄，作者们计算出了宇宙在那个时期的膨胀速度。

结果： 他们测得在红移 0.12 时，哈勃参数 H(z) = 71.33 ± 4.20 km/s/Mpc。
通俗解释： 这意味着，在宇宙距离我们约 5 亿光年的地方，空间每膨胀 100 万秒差距（约 326 万光年），速度就会增加约 71.33 公里/秒。
意义： 这个结果与之前其他方法测得的数据非常吻合，说明我们的测量是靠谱的，也进一步验证了现有的宇宙模型（ΛCDM 模型）在低红移区域是站得住脚的。

6. 为什么这很酷？

独立验证： 就像用不同的尺子去量同一块布，这次用的是“星系年龄”这把尺子，而不是以前常用的“声波”或“超新星”尺子。结果一致，说明我们没量错。
技术突破： 他们处理了超过 4000 个星系的数据，并且非常仔细地排除了各种干扰因素（比如星系里的尘埃、测量误差等），就像在嘈杂的集市里听清一个人的心跳声一样难，但他们做到了。

总结

这篇论文就像是给宇宙做了一次精准的“体检”。科学家们利用最新的望远镜数据，找到了一群“安静的老年星系”作为时钟，通过计算它们的年龄，成功测出了宇宙在 10 多亿年前的膨胀速度。这个结果不仅准确，而且独立于其他测量方法，为我们理解宇宙的膨胀历史提供了坚实的新证据。

一句话概括： 科学家通过给 4000 多个“退休”星系测年龄，发现宇宙在 10 多亿年前的膨胀速度是每秒 71.33 公里，这个新数据让宇宙学家的“争吵”少了一点，让模型更稳了一点。

这是一份基于论文《New H(z) measurement at Redshift = 0.12 with DESI Data Release 1》的详细技术总结。

1. 研究背景与科学问题 (Problem)

哈勃张力 (Hubble Tension)： 现代宇宙学面临的一个核心问题是，基于早期宇宙（如 CMB）和晚期宇宙（如超新星、重子声学振荡 BAO）测量的哈勃常数 ( $H_0$ ) 存在显著差异。
宇宙学模型依赖性问题： 传统的 BAO 测量依赖于对声视界尺度的校准，这通常需要在特定的宇宙学模型（如 $\Lambda$ CDM）框架下进行，因此并非完全独立。
解决思路： 需要一种宇宙学模型无关 (cosmological model-independent) 的方法来直接测量哈勃参数 $H(z)$ 随红移的演化，以验证或挑战标准模型，并探究哈勃张力的来源。
宇宙时钟 (Cosmic Chronometers, CC)： 利用大质量、被动演化的星系作为“宇宙时钟”，通过测量其年龄随红微分的变化率 ($dt/dz $) 来直接推导$ H(z)$。然而，准确测定星系年龄并构建纯净的 CC 样本仍具有挑战性。

2. 数据与方法论 (Methodology)

2.1 数据来源

DESI DR1 (Data Release 1)： 使用了暗能量光谱仪器 (DESI) 的首次主要数据发布，包含超过 1800 万个目标的光谱数据。
辅助数据： 结合 DESI Legacy Imaging Surveys 的光度数据 (g, r, z, W1-W4) 以及 DESI 的恒星质量和发射线星表 (Stellar Mass and Emission Line Catalog)。
数据预处理： 针对 DESI DR1 中流量不确定性估计的问题，使用阶跃函数进行了修正；对光谱进行了 4 倍分箱处理以加速拟合并降低噪声。

2.2 样本选择 (Sample Selection)

为了构建纯净的“宇宙时钟”样本，作者从 DESI DR1 中筛选出 3429 个大质量、被动演化的星系，筛选标准包括：

形态选择： 仅选择早期型星系 (MORPHTYPE == DEV)。
质量与 sSFR 截断： 恒星质量 $\log_{10}(M_*/M_\odot) > 11$ ，比恒星形成率 $\log_{10}(\text{sSFR}) < -11$ ，确保星系处于静止状态。
发射线剔除： 剔除具有明显发射线的星系 ([O II], [H $\beta$ ], [H $\alpha$ ] 的等效宽度 < 4 Å，信噪比 < 3)。
吸收线诊断 (H/K 比)： 测量 Ca II H (3969 Å) 和 Ca II K (3934 Å) 的伪 Lick 指数，要求 H/K < 1.3，以排除受恒星形成活动干扰的星系。
红移与信噪比： 限制红移 $z < 0.2$ ，并要求 FLUX SCALE > 3 以保证高信噪比。

2.3 全光谱拟合 (Full-Spectrum Fitting)

工具： 使用修改版的 BAGPIPES 代码（移除了其内置的宇宙学先验，使其成为模型无关的测量）。
拟合策略： 联合拟合光谱和光度数据，采用贝叶斯推断 (Nested Sampling, Nautilus 算法)。
物理模型组件：
- 恒星种群合成 (SPS)： 使用 Bruzual & Charlot (2003) 模型，假设 Kroupa (2001) 初始质量函数 (IMF)。
- 恒星形成历史 (SFH)： 测试了两种参数化形式：
  1. 延迟指数衰减 (DED)： 适用于被动演化星系。
  2. 双幂律 (DPL)： 更灵活，但施加了保守先验以避免非物理结果。
- 星际介质 (ISM)： 包含尘埃消光 (Calzetti 定律)、星云发射 (CLOUDY 模型) 以及高斯过程 (Gaussian Process) 噪声模型以处理光谱像素间的相关性。
- 校准： 使用二阶切比雪夫多项式修正流量校准误差。
质量控制： 对后验分布进行单峰性检验 (Dip test) 和偏度检验，剔除拟合质量差的样本。

2.4 $H(z)$ 计算

构建中值年龄 - 红移关系 ( $t(z)$ )。
将样本按质量和红移分箱（基准方案为 4 个等间距红移区间，并按质量中值分为高低质量两组）。
采用非相邻差分法 (non-adjacent differencing) 计算 $dt/dz$，以避免相邻数据点间的协方差影响。
最终通过逆方差加权平均得到 $H(z)$ 。

3. 主要结果 (Key Results)

3.1 星系物理性质

样本具有高质量 ( $\log_{10}(M_*/M_\odot) \approx 11.16$ )、低尘埃消光 ( $A_V \approx 0.1$ mag) 和极低的 sSFR。
金属度略高于太阳 ( $Z/Z_\odot \approx 1.33$ )。
恒星形成时标 $\tau \approx 0.76$ Gyr，符合“质量 downsizing"趋势（质量越大的星系形成时标越短）。
关键验证： 即使不引入宇宙学先验，推导出的星系年龄随红移增加而减小的趋势与 $\Lambda$ CDM 模型一致。

3.2 $H(z)$ 测量值

在红移 $z = 0.12$ 处，测得哈勃参数为：
$H(z = 0.12) = 71.33 \pm 4.20 \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$

统计误差： $\pm 3.45 \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$ (源于大样本量)。
系统误差： $\pm 1.71 \text{ (分箱策略)} \pm 1.67 \text{ (SFH 选择)} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$ 。
该结果与其他宇宙时钟测量值及 $\Lambda$ CDM 模型预测值高度一致。

4. 关键贡献 (Key Contributions)

利用 DESI DR1 的大样本优势： 首次利用 DESI 首批数据发布中超过 4000 个大质量被动演化星系进行全光谱拟合，显著提高了统计精度。
模型无关的测量： 通过移除 BAGPIPES 中的宇宙学先验，提供了一种严格独立于宇宙学模型的 $H(z)$ 测量方法。
系统误差的量化： 详细评估了分箱策略 (Binning) 和恒星形成历史模型 (SFH) 选择对结果的影响，给出了明确的系统误差预算。
全光谱拟合技术的验证： 证明了结合光谱和光度数据的全光谱拟合技术在构建宇宙时钟样本和测定年龄方面的有效性，特别是处理了 DESI 数据中的特定噪声和校准问题。

5. 科学意义 (Significance)

缓解哈勃张力争议： 该测量结果 ( $71.33 \pm 4.20$ ) 处于早期宇宙 (CMB, $\sim 67.4$ ) 和晚期宇宙 (超新星， $\sim 73$ ) 测量值之间，且误差范围较大，与两者均兼容。这为理解哈勃张力是源于系统误差还是新物理提供了重要的独立约束。
验证宇宙学模型： 在低红移 ( $z \approx 0.12$ ) 处，观测到的 $H(z)$ 与 $\Lambda$ CDM 模型预测一致，进一步巩固了标准宇宙学模型在低红移区的适用性。
未来展望： 该工作展示了利用大规模光谱巡天（如 DESI, Euclid, WST）结合先进的光谱拟合技术，在未来能够更精确地绘制 $H(z)$ 演化曲线，特别是在 $z > 1$ 的区域，从而更深层地探索暗能量性质和宇宙膨胀历史。

总结： 这项工作利用 DESI DR1 的高质量数据，通过改进的全光谱拟合方法，成功构建了一个纯净的宇宙时钟样本，并给出了低红移处 $H(z)$ 的精确测量。其结果不仅与现有理论一致，也为解决哈勃张力问题提供了关键的独立观测证据。