Modified hydrogen recombination rate due to non-Hubble redshift effects
本文提出，莱曼-阿尔法（Lyman-alpha）光子与运动的中性氢原子之间的相互作用引入了一种非哈勃红移效应，从而改变了氢的复合率，该机制受到宇宙微波背景（CMB）数据的青睐，有望通过产生比标准 CDM 模型更高的 以及更低的 、 和 值，来潜在地解决宇宙学张力问题。
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宇宙中充满了被称为宇宙微波背景的微弱而古老的余晖。这种辐射是婴儿宇宙的快照，捕捉于宇宙只有约38万岁、且刚刚冷却到足以让光在空间中自由传播时的时刻。在此之前，宇宙是一个由粒子组成的炽热、稠密的迷雾，光线不断被自由漂浮的电子所阻挡和弹射。随着宇宙的膨胀与冷却，这些电子与质子结合形成了中性氢原子，这一过程被称为“复合”（recombination）。这一事件拨开了迷雾，使得第一批光子得以穿越宇宙，并携带了早期宇宙环境的详细图谱。
今天，天文学家利用这张图谱来测量我们宇宙的基本属性，例如宇宙膨胀的速度以及它包含多少物质。然而，一个重大的谜团出现了：不同的测量方法得出的这些属性结果存在冲突。例如，基于宇宙微波背景的测量表明，宇宙的膨胀速率约为每秒67千米/百万秒差距，而对附近恒星和星系的测量则表明其速率更快，约为每秒73千米/百万秒差距。这种差异被称为“哈勃张力”（Hubble tension），暗示我们的标准宇宙模型可能遗失了拼图中的一块。
来自莫斯科核研究所的一个研究小组提出，对那个早期“拨开迷雾”过程中的物理机制进行细微调整，或许可以解决这些冲突。他们将研究重点放在了复合时期光的特定行为上。当一个电子在氢原子内跌落到较低的能级时，会发射出一个光子（一种光粒子）。在标准模型中，这些光子处于被其他氢原子吸收和再发射的循环之中，直到宇宙的膨胀将它们的波长拉长到足以逃逸的程度。研究人员想知道，是否存在一种次要的、常被忽视的机制，可以帮助这些光子更快地逃逸。
该团队研究了当一个光子被一个已经在运动中的氢原子吸收并重新发射时会发生什么。就像救护车疾驰而过时警笛的音调会发生变化一样，光子的能量也会根据吸收它的原子的运动状态而改变。研究人员计算出，当一个运动中的氢原子吸收一个光子并在随机方向上重新发射它时，产生的后续光子会损失极小的一部分能量。如果这种能量损失足够显著，光子就能从原本会被重新吸收的“共振”范围内偏移，从而比此前认为的速度更快地逃离早期宇宙的迷雾。
为了测试这个想法，科学家们修改了用于模拟早期宇宙的标准计算机代码。他们引入了一个新参数，用以代表这种额外的光子逃逸速率。随后，他们进行了广泛的统计分析，将修改后的模型预测与现有的最精确观测数据进行对比，包括来自普朗克卫星以及地面望远镜（如ACT和SPT-3G）的数据。其目标是观察这种微小的物理微调是否能使宇宙膨胀率和物质密度的测量值达成更好的统一。
他们的分析结果表明，这种“非哈勃红移效应”（non-Hubble redshift effect）是导致观测到的张力的一个合理解释。包含这种额外光子逃逸路径的修改模型，倾向于给出略高的宇宙膨胀率数值，使其更接近于当地天文学家测得的较快速率。同时，该模型预测的物质密度略低，且物质聚集的振幅也较小，这与近期星系巡天观测的结果更为吻合。数据拟合的最佳值出现在该新逃逸速率约为 秒⁻¹ 时，这个数值代表了对标准逃逸速率约百分之一的偏差。
虽然数据并未明确证明该效应是解决宇宙谜题的唯一方案，但研究表明，这是一个不容忽视的有力候选方案。研究人员发现，标准模型并未被强烈否定，但加入这一机制后，模型对观测数据的拟合度有了中度的提升。分析给出了该效应大小的上限，即在95%的置信度下，该效应不会大于 秒⁻¹。研究结论指出，运动原子与光之间的相互作用——即导致光子损失能量并从共振线中逃逸的过程——可能在解释为何不同测量手段对宇宙的测量结果存在分歧方面发挥着重要作用。这项工作强调了重新审视物理模型中哪怕最微小细节的重要性，因为对古老光线行为的一次微小修正，可能就握着理解宇宙基本本质的钥匙。
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