拯救爱因斯坦的宇宙学常数 | SCPMA研究论文

通过观测遥远的Ia型超新星，1998年两个合作组宣布发现宇宙处于加速膨胀的状态。这个发现完全改变了人们对宇宙演化的认识，Perlmutter、Schmidt和Riess因而获得了2011年的诺贝尔物理学奖。2003年WMAP卫星发布了宇宙微波背景辐射各向异性的精确测量结果，标志着宇宙学进入到精确宇宙学时代。过去二十多年来，精确宇宙学的最大成就是揭示了标准宇宙学模型，即包含宇宙学常数和冷暗物质的宇宙学模型。这个模型几乎与所有的宇宙学观测相容，因此也被称为“和谐宇宙学模型”。

近年来，随着宇宙学观测的进一步发展，人们对宇宙的了解越来越“精细”，从而导致标准宇宙学模型出现裂痕。一个著名的例子就是所谓的“哈勃常数危机”。基于宇宙距离阶梯，诺贝尔奖得主Riess领导的SH0ES合作组利用低红移超新星直接测量得到的哈勃常数为

km/s/Mpc [1]；基于标准宇宙学模型，普朗克卫星通过测量宇宙微波背景辐射各向异性间接测量得到的哈勃常数为

km/s/Mpc [2]。可见普朗克卫星间接测量得到的哈勃常数明显小于直接测量的结果，这两者之间差异的统计置信度甚至超过了所谓的5倍标准偏差（约为

）。

去年暗能量光谱仪（DESI）合作组发布了第一年的观测结果，声称发现暗能量可能不是宇宙学常数，而是随时间演化的“动力学暗能量”。今年三月，DESI合作组通过分析前三年的观测数据，发现新的结果强化了去年发布的结果 [3,4]。通过对不同参数化和暗能量模型的系统性研究，DESI合作组认为

CDM模型可以很好地拟合最新的观测数据，并且仅用微波背景辐射和DESI前三年的观测数据就可以在

置信水平上支持一个动力学暗能量模型[3]，其中这个动力学暗能量的能量密度随宇宙膨胀先增长后衰减。如果进一步联合不同的超新星观测数据集Phantheon+、Union3和DESY5，动力学暗能量的统计置信度分别或降低或提升至

、和

。

最近发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上的论文[5]指出由于DESI支持的动力学暗能量的能量密度在低红移随宇宙膨胀逐渐减小，因此将导致一个更小的哈勃常数（例如，联合微波背景辐射和DESI前三年的观测数据得到的哈勃常数仅为

km/s/Mpc），从而加剧了哈勃常数危机！在考虑哈勃常数直接测量得到的结果后，研究发现动力学暗能量的证据被显著地削弱了[5]。例如，微波背景辐射、DESI和SH0ES的观测数据仅在

置信水平上支持动力学暗能量；进一步联合Phantheon+、Union3和DESY5这三组超新星的观测数据，动力学暗能量的统计置信度也明显下降至

、和

。不同数据集对动力学暗能量参数的限制如下图所示：

图片引自论文[5]，其中两条虚线交叉点对应爱因斯坦的宇宙学常数。

总之，到目前为止，DESI支持的动力学暗能量与其他宇宙学观测之间依然存在不一致性，因而不能提供一个新的和谐宇宙学模型。如果计入SH0ES直接测量得到的哈勃常数，动力学暗能量的证据仅有大约

的统计置信度。在此意义上，爱因斯坦的宇宙学常数仍然和现有的观测数据相容。尽管DESI宣称的动力学暗能量是一个重要的进展，但是未来仍然需要更多的研究来检验这一发现，尤其是对哈勃常数的“准确”测量对验证暗能量的动力学性质变得至关重要。

此项研究受到中国航天工程空间应用系统和基金委面上项目的支持。文章收录在第8期“New Challenges and New Physics in Future Cosmology”专题。

【参考文献】

[1] L. Breuval et al., Astrophys. J. 973, 30 (2024).

[2] N. Aghanim et al. (Planck collaboration), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020).

[3] DESI collaboration, arXiv:2503.14738.

[4] K. Lodha et al., arXiv:2503.14743.

[5]Y.-H. Pang, X Zhang, and Q.-G. Huang, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280410 (2025).