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On the Difficulties with Late-Time Solutions for the Hubble Tension

本文表明，除非引入诸如超新星绝对星等在低红移处的剧烈阶跃或违反距离对偶关系等非物理机制，否则晚期宇宙学模型无法在拟合 SH0ES、DESI 和超新星数据的同时解决哈勃张力，而这些机制实际上只是使数据集脱节，而非提供了真正的物理学解。

原作者： Prakhar Bansal, Dragan Huterer

发布于 2026-02-09

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原作者： Prakhar Bansal, Dragan Huterer

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，宇宙就像一个正在被吹大的巨大气球。几十年来，科学家们一直试图精确测量这个气球膨胀的速度。这个速度被称为哈勃常数（Hubble Constant）。

这里存在一个问题：当我们观察宇宙的“婴儿照”（来自大爆炸的光）时，数学计算出的气球膨胀速度是速度 A；但当我们观察“青少年时期的照片”（附近的爆炸恒星）时，数学计算出的速度却是更快的速度 B。

这种分歧被称为**“哈勃张力”（Hubble Tension）**。这就像两个朋友在测量同一辆车的速度：一个说时速 60 英里，另一个说时速 75 英里。除非其中一个人使用的是坏掉的速度计，或者车子正在做一些奇怪的动作，否则他们不可能同时正确。

这篇由 Prakhar Bansal 和 Dragan Huterer 撰写的论文提出了一个非常具体的问题：我们能否通过改变近期（即“晚期”时期）的宇宙膨胀方式来解决这个问题？

以下是他们研究结果的拆解，使用了简单的类比：

1. “平滑道路”行不通

科学家们曾尝试通过建议宇宙的膨胀速度随时间平滑变化来解决问题，就像汽车在轻轻踩油门一样。

作者进行了数值计算，发现平滑的变化行不通。 无论你如何微调“近期过去”（膨胀率）的“油门”，你都无法让“婴儿照”的数学逻辑和“青少年照”的数学逻辑同时达成一致。这就像试图通过让汽车行驶得更平稳来修理一个坏掉的速度计；指针依然卡在那里。

2. 唯一的“修复方法”是在“作弊”（或破坏物理定律）

论文发现，你可以让数学逻辑成立，但前提是你必须做两件非常奇怪的事情之一：

选项 A：“恒星上的魔法开关”

想象你有一把尺子来测量距离。突然，在非常特定的、非常近的一个时间点（当宇宙几乎和现在一样古老时），这把尺子突然收缩或伸长了。

论文的观点： 唯有在允许爆炸恒星（Ia 型超新星）的“亮度”在极低红移处（约 $z \sim 0.01$ ）发生突变的情况下，才能拟合数据。
类比： 这就像星星决定在我们的注视下，就在那一瞬间突然关掉灯光或将亮度调到最高。如果你允许恒星的亮度发生突变，你就可以将“近处”的测量值与“远处”的测量值区分开来。
代价： 这被认为是一种“平凡”的解法。它并没有真正解释为什么存在这种张力；它只是在说：“让我们假定近处的星星和远处的星星不一样，这样数学就能对上了。”这实际上是回避了冲突，而不是解决冲突。

选项 B：打破几何规则

物理学中有一个基本规则（称为 Etherington 对偶关系），它将一个物体看起来有多亮与它看起来有多大联系在一起。

论文的观点： 另一种修复张力的方法是打破这个规则。
类比： 想象一个规则规定：“如果一个球看起来远了一倍，它看起来就必须小四倍。”如果你打破这个规则，你就能让测量结果吻合。
代价： 这相当于说几何定律是错误的。虽然在理论上是可能的，但这对于我们对宇宙的理解来说是一个极其激进且重大的改变。

3. “中间地带”解决方案（物理模型）

作者还测试了一个涉及神秘场（标量场）与引力相互作用的更“真实”的物理模型。

结果： 这个模型比“平滑道路”的想法做得更好，但仍然并不完美。它确实让数学拟合得好了一些，但仅仅是因为它允许恒星的亮度在较长的一段时间内（约 $z \sim 0.15$ ）发生逐渐变化。
类比： 这不是“魔法开关”，而是一个在几年内缓慢调暗灯光的“调光开关”。它确实有一点帮助，但它解决问题的效果不如“魔法开关”（选项 A），因为这种变化不够剧烈，无法完全分离那些相互冲突的数据。

4. 关于新数据

作者还检查了添加一种新的测量类型（表面亮度涨落，即 SBF——测量星系光的“模糊度”）是否会改变他们的结论。

结果： 结果没有太大变化。即使有了这种新数据，结论依然不变：你无法通过简单、平滑地改变宇宙的膨胀历史来解决哈勃张力。你仍然需要要么是恒星亮度的突然变化，要么是破坏物理定律。

核心结论

该论文得出结论：修改近期宇宙膨胀历史的方法并不是解决哈勃张力的可行方案。

如果你想让数学逻辑成立，你必须要么：

假设近处的爆炸恒星突然改变了它们的亮度（这实际上是在回避冲突）。
假设光与距离的基本法则被破坏了。

作者们暗示，哈勃张力可能不是通过微调膨胀率来解决的，或许应该去寻找测量本身是否存在误差，或者考虑来自极早期宇宙的物理学问题（而这篇论文并未侧重于此）。

技术摘要：论晚期解法在解决哈勃张力方面的困难

问题陈述
本文探讨了“哈勃张力”问题，即由 SH0ES 协作组测得的局部直接测量值（ $H_0 \approx 73.04 \pm 1.04$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ）与通过宇宙微波背景（CMB）和重子声学振荡（BAO）推导出的早期宇宙物理值（ $H_0 \approx 67.14 \pm 0.47$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ）之间显著的差异（约 $5\sigma$ ）。虽然通过修改声速视界来改变早期宇宙物理的方法在理论上是可能的，但需要精细调节；而旨在修改晚期膨胀历史（ $z < 1$ ）的晚期解法被认为甚至更难实现。作者旨在定量地证明，为什么通过现象学模型来修改晚期膨胀历史，在试图同时拟合 SH0ES 测量、Ia 型超新星（SNIa）距离以及 DESI BAO 数据时，如果不引入平凡或非物理的机制，将会面临困难。

方法论与模型
作者假设在广义相对论框架内是一个空间平坦的宇宙学模型，并利用蒙特卡洛马尔科夫链（MCMC）分析（Cobaya/GetDist）来约束参数，其针对的数据集包括：DESI DR2 BAO、压缩后的 CMB 似然函数，以及完整的 PantheonPlus+SH0ES SNIa 星表（包含校准器）。

他们研究了几种旨在改变晚期膨胀历史的现象学模型：

$\Lambda$ CDM：标准的基准模型。
$H_{step}$ ：允许在红移 $z_t$ 处发生哈勃参数 $H(z)$ 剧烈阶跃转换的模型。
$M_{step}$ ：允许在 $z_t$ 处发生 SNIa 绝对星等（ $M$ ）剧烈阶跃的模型，同时保持 $\Lambda$ CDM 的膨胀历史。
$H_{step} + M_{step}$ ：上述两种转换的结合。
$w_0w_a + M_{step}$ ：使用动力学暗能量状态方程（ $w_0, w_a$ ）并结合 $M_{step}$ 的模型。
非最小耦合标量场：一种基于 Wolf 等人研究的物理模型，其特征是具有随时间变化的有效引力常数 $G_{eff}$ ，这在现象学上与 SNIa 绝对强度的平滑转换相关联。

分析还纳入了表面亮度涨落（SBF）距离测量，以测试结论对于特定 SH0ES 校准的稳健性。

关键结果
研究得出了以下关于拟合优度（相对于最佳拟合 $\Lambda$ CDM 的 $\Delta\chi^2$ ）的定量发现：

膨胀历史修正的失效：仅修改膨胀速率的模型（如 $H_{step}$ 、 $w_0w_a$ CDM）无法解决张力。 $H_{step}$ 模型对拟合的改善微乎其微（ $\Delta\chi^2 \approx -2$ ）。即使引入空间曲率（ $\Omega_K$ ）或动力学暗能量，这种改善也不足以调和数据。主要问题在于，当锚定到 BAO 距离时，SNIa 数据倾向于一个绝对星等 $M \approx -19.4$ ，这与 SH0ES 校准值（ $M \approx -19.25$ ）相差 $4\text{--}5\sigma$ 。仅仅修改 $H(z)$ 并不能使这些相互冲突的约束解耦。
$M$ 转换的必要性：只有通过引入 SNIa 绝对星等（ $M$ $M$ ）剧烈阶跃的模型，才能获得显著的拟合改善（ $\Delta\chi^2 \approx -40$ $Δ χ^{2} \approx - 40$ 至 $-43$）。
- 最优转换发生在极低红移处（ $z_t \approx 0.01$ ）。
- 这有效地将 SH0ES 校准（造父变星）与其余哈勃图解耦，使得高红移 SNIa 能够与 BAO/CMB 约束保持一致，同时保留局部的 SH0ES 数值。
- 在 $M_{step}$ 中加入 $H_{step}$ （即 $H_{step}+M_{step}$ ）相比于单独的 $M_{step}$ 并未带来显著的额外收益。
替代的平凡解：作者指出，打破埃特灵顿距离对偶关系（ $d_L = (1+z)^2 d_A$ ）是另一种理论上的可能性，尽管这代表了对标准物理学的激进偏离，但它能使 BAO 和 SNIa 的归一化解耦。
SBF 数据的角色：纳入通过 TRGB 校准的表面亮度涨落（SBF）数据并不会改变结论的定性特征。当计入 SBF 零点系统的误差时，数据变得不再具有强约束性，且对 $M$ 转换的偏好仍然是改善拟合的主要因素。
物理模型的表现：非最小耦合标量场模型诱导了 $G_{eff}$ 以及随之而来的 $M$ 的平滑转换，该模型实现了中度的改善（ $\Delta\chi^2 \approx -27$ ）。然而，由于其转换过程是渐进的，且发生在 $z \approx 0.15$ 而非数据所偏好的极低红移（ $z \approx 0.01$ ）处，因此它解决张力的效果不如现象学的 $M_{step}$ 模型。

意义与结论
论文得出结论，晚期解法在解决哈勃张力时面临着根本性的几何与观测障碍：SH0ES 造父变星校准与 BAO/SNIa 距离梯队在 SNIa 绝对星等方面存在直接冲突。

作者认为，任何修改晚期膨胀历史的模型，只有在能够有效地将 SH0ES 测量与其余宇宙学数据解耦的情况下，才能令人满意地拟合组合数据集。实现这一点的途径要么是：

在极低红移（ $z \sim 0.01$ ）处引入一个非物理的、剧烈的 SNIa 绝对星等阶跃。
打破埃特灵顿距离对偶关系。

作者认为这些解法是“平凡”的，因为它们本质上是通过丢弃局部距离梯队与全局宇宙学约束之间的一致性来消除张力，而非解决潜在的物理差异。因此，作者认为仅靠修改晚期膨胀历史的模型不太可能为哈勃张力提供一个引人入胜的、非平凡的解决方案。

1. “平滑道路”行不通

2. 唯一的“修复方法”是在“作弊”（或破坏物理定律）

3. “中间地带”解决方案（物理模型）

4. 关于新数据

核心结论

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