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Distance-Ladder Measurements of the Hubble Constant: Recent Progress, Systematics, and Prospects

本文综述了距离阶梯测量哈勃常数方面的最新进展，表明对多种独立指标进行全面的协方差分析得出 $H_0=73.30\pm0.92~\text{km~s}^{-1}~\text{Mpc}^{-1}$ 的数值，该数值仍显著高于宇宙微波背景辐射（CMB）的预测，并强调了通过改进系统误差控制和扩大校准器样本量来解决哈勃张力的必要性。

原作者： Xiaodian Chen, Shu Wang

发布于 2026-06-26

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CC BY 4.0

原作者： Xiaodian Chen, Shu Wang

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

巨大的谜团：两个不同的速度计

想象一下，宇宙是一辆正在远离我们的巨型汽车。哈勃常数 ( $H_0$ ) 就是告诉我们宇宙现在膨胀速度的仪表盘读数。

长期以来，科学家们一直试图获得这个速度计的准确读数。但最近，他们发现了一个问题：这辆车有两个不同的速度计，而且它们并不一致。

“婴儿照”速度计（早期宇宙）： 如果我们观察宇宙的“婴儿照”（宇宙微波背景），并利用我们最好的理论来预测它今天应该跑多快，速度计读数约为 67。
“当前行程”速度计（局部宇宙）： 如果我们通过观察附近星系远离我们的速度来直接测量速度，速度计读数约为 73。

这种差异被称为**“哈勃张力”（Hubble Tension）**。这就像如果你的 GPS 显示你正以 65 英里/小时的速度行驶，但你的仪表盘显示是 75 英里/小时。要么其中一个错了，要么这辆车本身出了故障。本文的研究重点在于检查这个“当前行程”速度计，看看我们在测量过程中是否犯了错误。

宇宙标尺：距离阶梯

你不能直接用卷尺去测量一个星系的距离；它实在太远了。相反，天文学家使用**“距离阶梯”（Distance Ladder）**。你可以把它想象成一场接力赛，你将接力棒（距离测量值）从一名跑者传给下一名跑者，从而越来越远地进行测量。

论文将这个阶梯描述为三个主要层级：

第 0 层（起跑线）： 这些是“几何锚点”。它们是唯一可以直接测量而无需猜测的东西。
- 类比： 想象一下，使用尺子（视差）测量站在你身边的朋友的距离，或者观察已知城市里的钟楼（水分子喷流）。
- 论文的检查： 作者查看了三个主要的起点：我们银河系中的恒星（Gaia 卫星）、附近星系（LMC）中的恒星，以及一个带有水蒸气的特殊星系（NGC 4258）。他们确保这些起点彼此之间是一致的。
第 1 层（中间跑者）： 这些是“标准烛光”。这些是由于我们确切知道它们的亮度“应该是”多少的恒星。如果它们看起来很暗，我们就知道它们离得很远。
- *主要跑者：造父变星（Cepheid Variables）。这些是按可预测节奏闪烁的脉动星。论文重点关注它们，因为到目前为止它们是最精确的跑者。
- 后备跑者： 论文还检查了其他类型的恒星，以观察它们是否能给出相同的结果。这些包括：
  - TRGB： “红巨星支端”（达到特定亮度极限的老年恒星）。
  - JAGB： 一种特定的富碳星。
  - Miras： 长周期脉动星。
- 目标： 如果所有这些不同的跑者（造父变星、TRGB 等）对下一个星系的距离达成一致，就意味着“接力棒”传递正确。
第 2 层（终点线）： 这是哈勃流（Hubble Flow）。这些是 Ia 型超新星（爆炸的恒星），它们非常明亮，以至于我们可以在极遥远的星系中看到它们。
- 类比： 一旦我们知道了“中间跑者”（第 1 层）的距离，我们就用它们来校准“终点线”跑者（超新星）。然后，我们测量这些遥远星系远离我们的速度。这便得到了最终的速度（ $H_0$ ）。

这篇论文发现了什么

作者对所有最新的数据进行了大规模的回顾。以下是他们的研究结果摘要：

“造父变星”跑者依然是最优秀的： 使用造父变星（主要跑者）的方法仍然是最精确的。它给出的数值为 73.04。
“后备跑者”基本一致： 当他们使用其他方法（TRGB、JAGB、Miras 等）时，大多数方法给出的数值也在 73 左右。
- 一个例外： TRGB 方法有时会给出较低的数值（约 70），这更接近“婴儿照”速度计。论文认为这可能是由于数据分析方式导致的，而不一定是新的发现。
“拥挤”的担忧消失了： 过去人们曾担心哈勃空间望远镜（HST）可能因为图像太模糊，无法看清拥挤区域的单个恒星，从而使它们看起来比实际更亮。新的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）拥有更清晰的视野。论文确认，JWST 检查了造父变星，发现不存在由拥挤引起的显著误差。“模糊相机”理论很可能是错误的。
张力是真实存在的： 即使在将所有不同的方法（造父变星、TRGB、超新星等）结合成一个巨大的“网络”计算后，结果仍为 73.30。这与“婴儿照”预测值（67.36）之间的差异，仍比随机误差的可能性高出 5.6 倍。

结论：下一步是什么？

论文得出结论，“当前行程”速度计是非常可靠的。这种分歧并不是因为我们测量局部宇宙的方式不对，很可能是因为我们对“婴儿照”宇宙的理论是不完整的。

为了在未来几年内获得完美的、1% 精度的测量，作者表示我们需要：

更多的跑者： 我们需要找到更多的超新星和恒星来进行测量（更多的数据点）。
更好的规则： 我们需要使用人工智能（AI）来确保我们每次挑选恒星和星系时都是一致且无偏见的。
新的望远镜： 我们需要使用新的韦伯、罗曼和鲁宾望远镜来获取更清晰的图像和更多的数据。

简而言之： 宇宙正在以比我们现有理论预测的速度更快地膨胀。局部测量是可靠的，望远镜正在正常工作，而谜团依然存在。我们并没有测错；可能是宇宙正在以某种我们尚未理解的方式运行。

技术摘要：距离阶梯测量中的哈勃常数

问题陈述
由于“哈勃张力”（Hubble tension）的存在，哈勃常数（ $H_0$ ）仍是宇宙学中的核心问题。该张力表现为早期宇宙微波背景辐射（CMB）观测推导出的值（Planck $\Lambda$ CDM 模型： $67.36 \pm 0.54$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ）与局部距离阶梯测量值之间存在超过 $5\sigma$ 的差异。尽管局部测量已达到百分比级的精度，但局部阶梯的可靠性仍是审查的重点。这种张力意味着要么局部测量中存在未被解释的系统误差，要么是最小六参数 $\Lambda$ CDM 模型的失效。本综述侧重于局部距离阶梯这一侧，认为在 2030 年之前，该路径仍是提高 $H_0$ 精确度并测试系统误差最直接的领域。

方法论：协方差网络框架
本文将现代宇宙距离阶梯重新定义为一个连接三个不同层级的协方差网络，而非单一的线性链条：

第 0 层（几何锚点）： 直接几何测量，包括 Gaia 三角视差（银河系）、分离食双星（大麦哲伦云）以及水分子喷流（NGC 4258）。这些设定了绝对零点。
第 1 层（恒星距离指示器）： 由第 0 层锚点校准的标准烛光。主要路径使用经典造父变星，但该网络也包含了独立的替代方案：红巨星支端（TRGB）、J 区渐近巨星支（JAGB）恒星、米拉变星（Mira variables）以及 RR Lyrae 星。
第 2 层（哈勃流探测器）： 将校准延伸至平滑哈勃流以测量量级-红移截距的指示器。主导路径使用 Ia 型超新星（SN Ia），并辅以表面亮度涨落（SBF）、塔利-费舍尔关系（Tully–Fisher relation）和 II 型超新星（SNe II）。

作者采用了一种全局、具备协方差意识的拟合（广义最小二乘法或 MCMC）来传播从锚点到 $H_0$ 的不确定性。这种方法显式地模拟了共享系统误差（例如：几何零点、SN Ia 光变曲线标准化、本征速度修正）以及特定方法的系统误差（例如：造父变星拥挤效应、TRGB 边缘检测、JAGB 光度函数建模）。

核心贡献与分析
本文对当前局部 $H_0$ 测量的现状进行了全面综述，强调了以下技术要点：

造父变星–Ia 型超新星骨干： SH0ES 项目的造父变星–SN Ia 路径仍是最精确的单一局部阶梯（ $H_0 = 73.04 \pm 1.04$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ）。综述详细说明了 JWST 如何测试了基于 HST 的造父变星拥挤效应这一主要系统性担忧，发现 HST 与 JWST 之间的平均差异为 $-0.01 \pm 0.03$ mag，这有效地排除了隐藏的拥挤偏差作为唯一解释的可能性。
独立的第 1 层指示器： 本文评估了替代的恒星指示器：
- TRGB： 卡内基-芝加哥哈勃计划（CCHP）得出的数值较低（ $H_0 \approx 69.8 - 70.4$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ），其原因在于不同的零点校准和样本场选择。综述强调了边缘检测方法论和恒星族混合是关键的系统误差。
- JAGB 与米拉变星： 这些基于 AGB 的指示器提供了独立的检查。目前的 JAGB 结果（ $H_0 \approx 73.3$ ）与高值的造父变星标尺一致，但受限于锚点场的变化。米拉变星（ $H_0 \approx 72.4$ ）提供了不同的族群探测手段，但目前受到时域基线限制。
独立的第 2 层指示器： 诸如 SBF（ $H_0 \approx 73.8$ ）、Tully–Fisher（ $H_0 \approx 75.1 - 76.3$ ）和 SNe II（ $H_0 \approx 75.4$ ）等方法通常支持高值的局部标尺，但目前的系统误差较大（2–4%），不及造父变星–SN Ia 路径。
协方差加权综合： 一项主要贡献是构建了一个七路径协方差汇总。通过结合造父变星–SN Ia 路径与三种第 1 层替代方案（TRGB、JAGB、米拉变星）以及三种第 2 层替代方案（SBF、Tully–Fisher、SNe II），并在考虑共享的几何与 SN Ia 顶层协方差后，作者得出了一个统一的局部数值。

结果

综合局部值： 七路径协方差平均值得出 $H_0 = 73.30 \pm 0.92$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ 。
张力的显著性： 该数值仍比 Planck 基准 $\Lambda$ CDM 预测值（ $67.36 \pm 0.54$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ）高出 $5.6\sigma$ 。
系统误差预算： 分析表明，虽然统计精度很高，但剩余的不确定性由相干系统误差主导：
- 第 0 层： Gaia 星视差零点残差及几何锚点的一致性。
- 第 1 层： 金属度依赖性（造父变星）、边缘检测与样本场选择（TRGB），以及光度函数形状/场变化（JAGB）。
- 第 2 层： SN Ia 标准化（颜色定律、宿主星系相关性）及本征速度建模。
JWST 的影响： JWST 的观测证实了造父变星距离对于拥挤偏差的鲁棒性达到了亚百分比水平，并实现了首次在同一 SN Ia 宿主星系中进行多指标（造父变星、TRGB、JAGB）测量，从而促进了直接的交叉校准。

意义与未来前景
本文声称，该领域已从解决显著分歧转向测试百分比级的系统误差。这项工作的意义在于证明，即使在结合了多种独立的距离指示器并严格考虑了共享协方差的情况下，哈勃张力依然存在。

为了实现可靠的 1% 局部 $H_0$ ，作者认为未来的进展需要：

扩大校准样本： 增加具有几何/第 1 层距离的 SN Ia 宿主数量（例如从 42 个增加到 80–100 个），以减少 SN Ia 绝对星等零点的统计噪声。
交叉验证的零点： 确保第 1 层指示器（造父变星、TRGB、JAGB、米拉变星）在相同的锚点星系（LMC、NGC 4258、银河系）中能产生一致的距离，精度达到 0.5%。
显式协方差传播： 超越简单的加权平均，转向能够显式模拟共享系统误差（锚点、SN Ia 样本、速度场）的网络分析。
可重复的选择标准： 实施 AI 辅助的、预先设定的距离指示器选择函数，以确保研究的可重复性以及对完备性和离群值剔除处理的可审计性。

本文结论指出，如果这些独立的路径在显式协方达处理下趋向于一个共同的标尺，且与 Planck 的张力持续存在，那么支持超越最小 $\Lambda$ CDM 模型的新物理学的证据将更加有力。反之，如果局部网络内部在 0.5% 水平上出现分歧，则会指明需要解决的具体距离指示器系统误差。

巨大的谜团：两个不同的速度计

宇宙标尺：距离阶梯

这篇论文发现了什么

结论：下一步是什么？

技术摘要：距离阶梯测量中的哈勃常数

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