哈勃常数与可观测宇宙的膨胀

科学摘要

Astronoo的文章介绍了哈勃常数和可观测宇宙的膨胀。它追溯了埃德温·哈勃和维斯托·斯莱弗的观测，他们表明星系以与其距离成正比的速度远离，以及使这一测量成为可能的宇宙距离阶梯。普朗克卫星从宇宙微波背景辐射推导出的哈勃常数为67.4 km/s/Mpc，而距离阶梯方法（造父变星和Ia型超新星，SH0ES团队）给出约73 km/s/Mpc。这种持续存在的差异被称为哈勃张力，如今已超过5个标准偏差，仍然是现代宇宙学未解决的谜团之一。文章还解释了为什么膨胀不影响引力束缚系统，如太阳系。

什么是哈勃常数，宇宙的膨胀意味着什么？

本文致力于介绍哈勃常数（记为H₀）和宇宙的膨胀。但这究竟意味着什么？哈勃常数是宇宙膨胀的速率。更准确地说，它描述了一个星系根据其距离远离我们的速度。例如，位于一个百万秒差距（≈326万光年）处的星系，根据所使用的测量方法，以每秒67至73公里的速度远离。这一由埃德温·哈勃于1929年发现的关系揭示，宇宙不是静止的，而是在膨胀。注意：这不是星系在空间中的运动，而是时空本身的膨胀。膨胀仅适用于非常大的距离，即星系团之间。引力束缚系统，如太阳系或我们的银河系，不会膨胀。哈勃常数的确切值仍在争论中，根据从原始宇宙还是从近邻宇宙出发，介于67至73 km/s/Mpc之间——这种持续存在的不一致，即“哈勃张力”，如今刺激着宇宙学研究。

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宇宙的膨胀

一个膨胀的宇宙

当我们回望过去时，宇宙越来越小、越来越密、越来越热。换句话说，当我们倒放影片、回溯时间时，宇宙中所有的天体都相互靠近。

埃德温·哈勃的观测

1923年，埃德温·哈勃（1889-1953）使用了250厘米胡克望远镜，这是当时最强大的望远镜。在观测仙女座星云（M31）中的一颗变星时，他识别出一颗造父变星——一颗亮度随周期变化的恒星，其周期与真实光度直接相关，依据的是亨丽埃塔·勒维特于1912年发现的周光关系。这一方法使他能够估计M31的距离约为90万光年，将其远远置于我们银河系之外。因此，哈勃结束了关于今后将被称为星系的弥漫天体性质的长期争论。

稍后的1929年，哈勃分析了星系的视向速度，这些速度此前由维斯托·斯莱弗（1875-1969）从光谱线的红移中测量。他首先局限于距离小于600万光年的星系，并注意到速度-距离关系近似线性。与米尔顿·哈马森（1891-1972）一起，他将研究扩展到远达1亿光年的遥远星系；关系仍然保持线性。

哈勃定律和膨胀率

哈勃 then 提出了他著名的哈勃定律：“星系以与其距离成正比的速度相互远离”。换句话说，星系离我们越远，似乎远离得越快。他 thus 创造了宇宙膨胀的概念。注意：星系在远离，但这不是星系的真实运动；是整个宇宙在膨胀，并赋予星系这种表观速度。是星系之间的空间在增加，实际上是时空在膨胀。

星系之间的膨胀率对应于埃德温·哈勃和乔治·勒梅特在1930年代计算的哈勃常数（H₀）。哈勃常数的倒数称为哈勃时间；它对应于从大爆炸以来的时间，因此也就是宇宙的年龄。 1965年发现的化石辐射对宇宙学家来说是一块真正的“罗塞塔石碑”，因为它使得解读大爆炸以来宇宙的热历史成为可能。

注：哈勃在1923-1925年为M31计算的90万光年距离大大低估了现实（今天确定为约250万光年）。误差来自两类不同的造父变星群体的混淆，它们具有不同的周光关系，直到1952年才被天文学家沃尔特·巴德修正——他一举将可观测宇宙的估计大小翻了一番。

宇宙距离阶梯：从造父变星到超新星

相互校准的测量链

测量退行速度相对简单， thanks to 光谱的红移。然而，测量星系际距离则要微妙得多，而这正是哈勃常数不确定性的主要来源。天文学家为此使用宇宙距离阶梯，这是一系列测量标准，每一个都校准在前一个之上：我们银河系附近恒星的视差，附近星系的造父变星（其真实光度从脉动周期推导），然后是更遥远星系的Ia型超新星，其最大亮度被显著标准化，并充当“标准烛光”。

另一种方法：红巨星分支顶端

另一种称为Tip of the Red Giant Branch（TRGB，即“红巨星分支顶端”）的方法，依赖于红巨星在核心开始氦聚变之前都达到非常相似的最大光度这一事实。它提供了独立于造父变星的校准，并且用詹姆斯·韦伯太空望远镜进行时，给出的哈勃常数值介于两种主要方法获得的值之间——这是理解下文所述分歧起源的一条严肃线索。

哈勃常数的值是多少？

哈勃常数与宇宙的膨胀 — 这些微小的温度涨落是普朗克任务（2013年3月）所见的可观测宇宙的最初微光。自2013年以来，欧洲、加拿大和美国的物理学家们不断完善宇宙的组成。这幅假彩色合成图像代表了创世最初时刻的痕迹，即大爆炸后约38万年，138亿年前（≈1%）。可观测宇宙由69.4%的暗能量、25.8%的冷暗物质和4.8%的原子，即普通物质组成。
图片来源：ESA（新窗口）。

宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射图代表了来自可观测宇宙最初时刻的电磁辐射。这些今天可在无线电波段探测到的光子，保留了将被暴胀携带的大型初生结构的痕迹。

哈勃常数的测量

哈勃常数（H₀）的值并非完全精确已知，尤其是，它因所采用的方法而异。2013年3月，对普朗克卫星数据的首次分析给出了67.8 km/s/Mpc的值；2018年发表的该任务的最终分析将其精化为67.4 ± 0.5 km/s/Mpc，从宇宙微波背景辐射推导得出。另一方面，SH0ES团队通过将距离阶梯上的造父变星和Ia型超新星结合起来，获得了明显更高的值，约73.0 ± 1.0 km/s/Mpc（2022年结果）。因此，一个1 Mpc的气泡今天根据所采用的方法，每秒膨胀67至73公里；一个10 Mpc的气泡，十倍；一个100 Mpc的气泡，一百倍……

哈勃张力：持续存在的异常

两种方法，两个不相容的结果

两大测量家族之间的这种差异——来自宇宙微波背景辐射的67.4 km/s/Mpc，对来自局部距离阶梯的约73 km/s/Mpc——有一个名字：哈勃张力。这不是简单的误差范围：根据SH0ES团队，差异如今超过5个标准偏差（5σ），这使得它是统计巧合的可能性极低。然而，两种方法都基于极其被理解的物理学——宇宙微波背景辐射的标准ΛCDM宇宙学模型，以及距离阶梯的造父变星和Ia型超新星的成熟校准。

使情况复杂化的独立测量

其他与前两者完全独立的方法为争论提供了素材，但未能解决它。重子声学振荡（BAO）于2024年由DESI仪器测量，给出约68.4 km/s/Mpc的低值，接近普朗克的值。相反，基于引力透镜类星体时间延迟的近期测量（TDCOSMO合作，2025）给出高值，约70至78 km/s/Mpc，反而加强了局部测量的阵营。在两者之间，用詹姆斯·韦伯太空望远镜进行的TRGB方法给出中间值，约69至70 km/s/Mpc，这可能表明部分解决的线索——尽管科学界今天并未达成一致。

新物理学，还是简单的系统误差？

两大假设对峙以解释哈勃张力。第一个假设在其中一个测量方法中存在尚未识别的系统误差——造父变星校准中的偏差，或对ΛCDM模型参数的误解。第二个更具推测性，设想真正的新物理学：一种早期暗能量形式、引力的修改，或与今天接受的不同的中微子物理学。未来的任务，如南希·格雷斯·罗曼太空望远镜或ESA的欧几里得任务，应在未来几年提供额外数据，以尝试在这些假设之间做出裁决。