宇宙学 · 恒星与黑洞 · 太阳系
17路(17LUBBS) · 看见更远的宇宙

哈勃常数的两个值差了百分之八,而两边都不像算错

两个人用不同的卷尺量同一张桌子,一个读出 1.50 米,一个读出 1.62 米,差 8%。第一反应是有人量错了,或者至少有一把尺子没校准。可如果两把尺子都校准过、误差都写在报告里、路径完全不重叠,你就没法简单地说谁错。宇宙学现在正卡在这个位置。

用微波背景推算的哈勃常数是 67.4 ± 0.5 km/s/Mpc,用造父变星加 Ia 超新星的距离阶梯直接测到的是 73.0 ± 1.0 km/s/Mpc。两者相差约 8%,合并误差后的显著度约 5σ。这个分歧叫哈勃张力,究竟来自残余系统误差还是新物理,目前没有定论。

一个数从早期宇宙推出来,一个数从近处量出来

Planck 的路径是:测微波背景的角功率谱,量出声音特征在天空上张开的角尺度,用已知的物理尺度反推它离我们多远,得到膨胀率。整条链只依赖宇宙学模型的基本框架。

SH0ES 的路径相反:先测银河系内造父变星的三角视差,定出周光关系,用它量邻近星系,再用 Ia 超新星把尺度推到上亿秒差距,最后对红移求斜率。

两条链共享的只有物理定律,数据几乎为零。这才是这个分歧值得认真对待的原因。

独立性的代价,是各自的系统误差也独立

Planck 的误差条只有 0.8%。这个精度建立在「微波背景的微小起伏可以被精确建模」之上,而这套建模要假定复合时期的物质组成、中微子种类数、初始功率谱的形状。

距离阶梯的误差条约 1.4%。它更直接,但每一级都要处理消光、金属丰度、星族混杂与样本选择。任何一级偏 1%,最终结果就偏 1%。

所以「谁更准」这个问题本身有陷阱:精度是模型内的精度。

差距的显著度,已经不太像统计涨落

把两个误差按平方和合并,得到约 1.2 km/s/Mpc 的组合误差。中心值相差 5.7,除下来接近 5 倍标准差。

5σ 是发现的门槛,但系统误差未必服从高斯分布,这个数字要打折看。

能解释它的路子只剩三类,每一类都要付代价

第一类是晚期测量有残余偏差。JWST 重测了同一批造父变星,结果与哈勃一致,排除了分辨率不足这条,但没排除金属丰度定标。

第二类是早期测量有残余偏差。Planck 的前景扣除与偏振定标被反复检查,没找到能移动 5% 的错误。

第三类是新物理:早期暗能量、额外相对论自由度、暗能量与暗物质相互作用。三种都能把 H0 推高,但都会在其他观测上留下痕迹,而这些痕迹至今没被看到。

参数 数值 口径与来源
早期测量 H0 67.36 ± 0.54 km/s/Mpc Planck 2018
晚期测量 H0 73.04 ± 1.04 km/s/Mpc SH0ES,2022
红巨星分支顶端测量 69.8 ± 1.7 km/s/Mpc Freedman 2021
两组中心值之差 约 5.7 km/s/Mpc,约 8.5% 上述两组之差
合并后的显著度 约 5σ 按误差平方和估算
复合时期声学视界 147.1 ± 0.3 Mpc Planck 2018

哪些是观测,哪些还是推断

观测证实两个数值本身都经过多轮独立复核,各自内部一致;JWST 对同一批造父变星的重测与哈勃结果吻合,把「望远镜分辨率」这条解释基本关掉了。
理论预言如果引入占比百分之几的早期暗能量,H0 可以被推高到 72 附近,同时不破坏微波背景角谱的拟合。这是可检验的预言,但没有独立证据支持它真的存在。
尚未定论差距来自残余系统误差还是新物理;红巨星分支方法给出的 69.8 正好落在两者之间,说明「晚期测量」内部也还没完全收敛。

常见问题

是不是有一个团队算错了?

没发现明确的计算错误。两边的数据处理都被独立小组重复过,争议集中在误差是否被低估,而不在公式用错。这类分歧要靠下一代数据裁决。

这个差异会影响宇宙年龄吗?

会。H0 取 73 算出的年龄约 127 亿年,取 67.4 得到约 138 亿年,相差约 11 亿年,已逼近最老球状星团的年龄下限。

为什么不直接信精度更高的那个?

精度高只在各自模型内成立。晚期测量依赖一串天体定标,早期测量依赖模型假设。没有第三方方法之前,抬高或压低都缺少依据。

延伸阅读

  • Planck Collaboration 2020, A&A 641, A6
  • Riess, A. G. et al. 2022, ApJL 934, L7
  • Freedman, W. L. 2021, ApJ 919, 16
免责声明:本文为科普性整理,依据文末所列公开资料与观测数据写成,不构成科研结论或任何形式的建议。科学认识会随新观测与新模型修正,引用请注明来源。如有侵权请联系删除。
文章名称:哈勃常数的两个值差了百分之八,而两边都不像算错
文章链接:https://www.17lubbs.com/hubble-tension-two-values/
↑