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The DESI results impact the local determination of $H_0$

本文表明，将 DESI 关于演化暗能量的证据纳入局部哈勃常数（ $H_0$ ）测量中，与标准的 $\Lambda$ CDM 假设相比，会使推导出的数值降低高达 $2.5\,\mathrm{km\,s^{-1}Mpc^{-1}}$ ，这种偏移在结合 CMB 和 SNIa 数据后虽有所缓解但依然显著，从而凸显了背景宇宙学假设对哈勃张力的影响。

原作者： Michael S. Turner, Dragan Huterer

发布于 2026-06-05

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CC BY 4.0

原作者： Michael S. Turner, 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，宇宙是一个巨大的、正在膨胀的气球。几十年来，宇宙学家一直试图测量这个气球现在膨胀的具体速度。这个速度被称为哈勃常数（ $H_0$ ）。

这里存在一个问题：当我们通过观察附近的恒星和星系来测量速度（即“局部”方法）时，我们得到一个数字。而当我们观察宇宙的“婴儿照”（宇宙微波背景辐射），并利用我们最好的理论来预测现在的速度应该是多少时，我们得到的数字会稍微慢一些。这种不匹配被称为哈勃张力（Hubble Tension）。这就像同一辆车的两个不同速度计给出了不同的读数，而且没人知道哪一个是正确的。

由迈克尔·特纳（Michael Turner）和德拉甘·胡特尔（Dragan Huterer）撰写的这篇论文指出，我们的“局部”速度计之所以可能出现偏差，是因为我们一直在使用错误的地图来读取它。

地图与地形

为了测量宇宙的局部速度，天文学家需要观察物体离得有多远，以及它们远离的速度有多快。为了确定“有多远”，他们需要一张关于宇宙历史的地图。

长期以来，大家一直使用同一张地图，称为 $\Lambda$ CDM。这是一个非常简单、标准的地图，它假设宇宙的膨胀是平滑且可预测的，由一种被称为暗能量的恒定力量驱动。使用这张地图，局部测量显示宇宙的膨胀速度为 73.5 个单位。

然而，一个名为 DESI（暗能量光谱仪）的新型、功能强大的望远镜仪器最近观察了宇宙，并发现了一些奇怪的现象。数据表明，暗能量并不是恒定的；它可能会随时间变化，就像一辆会加速或减速的汽车一样。DESI 更倾向于一张更复杂的地图（称为 $w_0w_a$ CDM），这种地图允许这种变化的存在。

“错误地图”效应

作者们提出了一个简单的问题：如果我们不再使用那张简单的旧地图，而是开始使用 DESI 所青睐的那张更复杂的地图，我们的局部速度测量值会发生什么变化？

他们使用相同的地图（即相同的星系和恒星数据）运行了计算，但更换了地图。以下是他们的发现：

偏移： 当他们使用新的 DESI 偏好的地图时，计算出的宇宙速度下降了。
幅度：
- 如果他们仅使用新的 DESI 数据，速度下降了多达 2.5 个单位。
- 如果他们将新的 DESI 数据与其他的宇宙数据（如宇宙的“婴儿照”和超新星爆发）结合使用，速度则下降了约 1.1 个单位。

一个创意类比：GPS 与道路

把对哈勃常数的局部测量想象成一个试图告诉你速度的 GPS。

旧方法 ( $\Lambda$ CDM)： 你告诉 GPS，“假设这条路是完全笔直且平坦的。” GPS 根据这个假设计算你的速度，并说：“你的速度是 73.5 英里/小时。”
新方法 (DESI)： DESI 仪器观察了前方的路，并说：“实际上，这条路在这里有一个小坡和一个弯道。”
结果： 当你告诉 GPS 在考虑到这个坡度和弯道的情况下重新计算速度时，它说：“噢，如果路是弯曲的，那么你的实际速度更接近 72.4 英里/小时。”

论文指出，局部宇宙速度的测量并不是一个固定的数值；它在很大程度上取决于我们在低距离尺度上假设存在的“道路”（宇宙学模型）的形状。

这为什么重要——关于“张力”

哈勃张力的存在是因为“婴儿照”法测得的速度是 68，而“局部”法测得的是 73.5。这是一个巨大的差距。

这篇论文表明，由于我们使用的是过于简化的地图，导致“局部”方法可能高估了速度。如果宇宙的实际行为正如新的 DESI 地图所暗示的那样（即暗能量在演化），那么局部速度就不是 73.5，而是更接近 72.4 甚至更低。这并没有完全解决张力问题（72.4 仍然高于 68），但它缩小了差距。它告诉我们，局部测量并不像我们之前认为的那样独立于我们的理论。我们得到的值取决于我们讲述的关于宇宙的背景故事。

核心结论

作者得出结论，我们不能将局部宇宙速度的测量视为一个独立的客观事实。它与我们关于低距离尺度下宇宙运作方式的假设紧密相连。

如果暗能量是恒定的： 速度约为 ~73.5。
如果暗能量是演化的（如 DESI 所暗示）： 速度会降至 ~72.4 或更低。

这意味着，“哈勃张力”可能不仅仅是测量误差或早期宇宙需要新物理学的问题；它也可能是一个信号，表明我们对宇宙近期历史（过去几十亿年）的理解需要一次严肃的更新。速度计本身工作正常，但它所读取的“地图”可能需要重新绘制。

技术摘要：DESI 结果对局部哈勃常数测定的影响

问题陈述
本文探讨了“哈勃张力”问题，即局部距离阶梯测定的哈勃常数（ $H_0 \approx 73.50 \pm 0.81$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ）与在标准 $\Lambda$ CDM 模型假设下由宇宙微波背景（CMB）数据推导出的间接测定值（ $H_0 \approx 68 \pm 0.5$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ）之间持续存在的差异。虽然目前已有大量研究关注旨在解决这一张力的“早期宇宙”修正（例如早期暗能量），但作者调查了局部 $H_0$ 测定对低红移（ $z \lesssim 0.1$ ）处所假设的背景宇宙学的依赖性。具体而言，他们研究了最近的暗能量谱仪（DESI）结果（该结果暗示暗能量正在演化）在利用非 $\Lambda$ CDM 模型进行分析时，如何改变局部 $H_0$ 的值。

方法论
作者使用了哈勃距离网络（H0DN）数据集，该数据集结合了用于推导局部哈勃常数的低红移测量值（ $z \simeq 0 - 0.1$ ）。他们采用了一种计算机代码来分析这些测量值及其协方差，从而在不同的宇宙学假设下提取 $H_0$ 。

本研究分为三个阶段进行：

基准阶段： 使用 $\Omega_M = 0.3$ 的标准 $\Lambda$ CDM 模型建立 $H_0$ 基准。
参数变化阶段： 测试局部 $H_0$ 对 $w$ CDM 框架内物质密度（ $\Omega_M$ ）和暗能量状态方程（ $w$ ）变化的敏感性。
DESI 约束模型阶段： 分析 $w_0w_a$ $w_{0} w_{a}$ CDM 模型的冲击，其中暗能量状态方程随尺度因子 $a$ $a$ 演化为 $w(a) = w_0 + w_a(1-a)$ $w (a) = w_{0} + w_{a} (1 - a)$ 。作者从受以下约束的马尔科夫链中采样宇宙学参数（ $\Omega_M, w_0, w_a$ $Ω_{M}, w_{0}, w_{a}$ ）：
- 仅使用 DESI 第二阶段数据发布（DR2）的重子声学振荡（BAO）数据。
- DESI + CMB 数据。
- DESI + CMB + Ia 型超新星（SNIa）数据。

他们计算了从 H0DN 分析中得出的哈勃常数的加权平均值，并将其与基准 $\Lambda$ CDM 值进行比较。

核心贡献与结果

局部 $H_0$ 的宇宙学依赖性： 作者证明，即使在通常认为哈勃定律（ $d_L \approx cz/H_0$ ）已足够适用的低红移处，局部 $H_0$ 的测定也并非独立于背景宇宙学。虽然对 $\Omega_M$ 的依赖很小（ $\Delta H_0 \approx \pm 0.29$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ），但对暗能量状态方程的依赖却非常显著。
DESI 结果的影响： DESI DR2 BAO 数据倾向于在 $w_0$ $w_{0}$ – $w_a$ $w_{a}$ 平面上呈现一个退化轴为 $w_0 = -1 - w_a/3$ $w_{0} = - 1 - w_{a} /3$ （对于 $w_a < 0$ $w_{a} < 0$ ）的轮廓，这表明存在演化暗能量的证据。当使用符合这些 DESI 轮廓的模型分析 H0DN 数据时：
- 若仅假设 DESI DR2，推导出的 $H_0$ 可能比 $\Lambda$ CDM 基准值低至 2.5 km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ 。
- 当受到 DESI + CMB 约束时，下降幅度为 $1.1 \pm 0.38$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ，得到 $H_0 = 72.44 \pm 0.81 \pm 0.38$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ 。
- 当进一步受到 DESI + CMB + SNIa 约束时，下降幅度为 $0.5 \pm 0.1$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ，得到 $H_0 = 73.03 \pm 0.81 \pm 0.11$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ 。
膨胀率特征： DESI 偏好的模型具有一个在 $z \simeq 0.5$ 附近达到峰值的暗能量组分，这在膨胀率历史上产生了一个相应的特征。这种演化显著改变了用于从低红移数据推导 $H_0$ 的光度距离积分。
与 CMB 的联系： 作者指出，沿着 DESI 退化方向移动也会影响 CMB 推导的 $H_0$ 。具体而言，CMB 推导的 $H_0$ 随 $(1 - w_a)^{-0.044}$ 而减小，这一趋势倾向于维持而非消除张力。

意义与主张
本文声称，当前数据对低红移处的背景宇宙学约束并不充分，而这种约束的缺乏为局部 $H_0$ 的测定引入了显著的系统不确定性。这项工作的核心意义在于证明了：与近期 DESI 观测一致的低红移背景宇宙学的变化，可以显著改变局部测定的哈勃常数值。

作者认为，解决哈勃张力可能需要同时考虑高红移和低红移的物理学，以及两者之间的相互作用。他们提醒，虽然符合 DESI 数据的 $w_0w_a$ CDM 模型对于探测偏离 $\Lambda$ 的低红移行为很有用，但这些模型在较大红移范围内可能会表现出非物理行为，因此在经过进一步验证前，不应将其视为一种完整的替代宇宙学模型。最终，这项工作强调了“局部” $H_0$ 的测量比此前假设的具有更强的模型依赖性，为哈勃张力的争论增添了一层复杂性。