引力波与暗能量的碰撞：三大晚期宇宙探针联手，测量宇宙膨胀率和暗能量演化

宇宙正在加速膨胀——这一事实早已被科学界证实，但它究竟膨胀得有多快？驱动这场膨胀的“暗能量”，是密度一成不变的“宇宙常数”，还是会随时间演化的动力学力量？

围绕这两个核心问题，天文学界陷入了持续近十年的“哈勃常数危机”：早期宇宙观测（如宇宙微波背景辐射）和晚期宇宙观测（如距离阶梯法）给出的宇宙膨胀速率答案截然不同，这种差异达到了约6倍标准差的显著程度，已无法用常规系统误差解释。

一

研究背景：宇宙膨胀速率的“早晚之争”

哈勃常数是描述当前宇宙膨胀快慢的核心参数，就像宇宙的“生长速度表”。但不同观测“视角”给出的结果却大相径庭：

通过早期宇宙的宇宙微波背景辐射观测，测得的哈勃常数大约是每秒每百万秒差距67.66千米（误差仅±0.42）；而通过晚期宇宙的距离阶梯法（借助近距天体层层校准），测得的结果约为每秒每百万秒差距73.18千米（误差±0.88）。

这种矛盾暗示着，我们奉为圭臬的标准宇宙学模型可能存在缺陷。更有意思的是，暗能量光谱仪（DESI）最新发布的第二批数据与早期宇宙观测数据结合后发现：暗能量可能存在“幽灵穿越”行为——暗能量状态方程参数会从小于-1演化到大于-1。但这种动态演化不仅没有缓解哈勃常数的差异，反而让矛盾更加突出。

此时，一个关键问题浮出水面：能不能抛开对早期宇宙数据的依赖，仅靠晚期宇宙的观测数据，独立测出哈勃常数和暗能量的真实面貌？

传统观测工具虽能提供高精度距离测量，但都有短板：它们只能测“相对距离”，必须借助外部校准才能测量出哈勃常数——重子声学振荡需要早期宇宙提供的声学视界尺度来定标，Ia型超新星则需要距离阶梯来校准其固有亮度（绝对星等）。而引力波“标准汽笛”则不同——它能仅凭广义相对论直接测量“绝对距离”，就像一把自带校准功能的“宇宙标尺”，天生具备独立测量的优势。

二

研究思路：三大探针“组队”，互补短板破难题

这项研究的核心思路很简单：让引力波提供“绝对距离标尺”，让重子声学振荡和Ia型超新星提供“高精度相对距离参考”，三者联手实现1+1+1>3的测量效果。

研究团队选用了三组关键数据，各展所长：

1. 47个引力波事件：来自第三批引力波瞬态事件目录，包括42个双黑洞合并、3个中子星-黑洞合并和2个双中子星合并事件 [2]。其中最著名的是GW170817——人类首个探测到电磁信号的引力波事件，能通过“亮汽笛”方法精准确定其距离相关指标（红移）；其余46个没有电磁信号的事件，则通过“暗汽笛”方法，结合星系目录和引力波源的种群特征推断红移。

2. DESI第二批重子声学振荡数据：覆盖七个不同的红移区间，基于超过1400万个光谱确认的天体 [3]。重子声学振荡是宇宙大爆炸后留下的“化石遗迹”，早期宇宙中声波传播形成的密度起伏，随宇宙膨胀被“冻结”，成为星系分布的“标准尺度”，能精准反映宇宙膨胀历史。

3. 1829颗Ia型超新星：来自暗能量巡天五年的观测数据，红移范围从0.025到1.3，覆盖了从中近距到遥远宇宙的广阔范围 [4,5]。Ia型超新星是白矮星爆发形成的明亮天体，发光强度几乎恒定，就像宇宙中“亮度统一的蜡烛”，科学家能通过其视亮度反推距离。

这项研究的关键创新在于：没有将通常需要外部标定的参数（如声学视界尺度、超新星绝对星等）固定为已知值，而是将它们作为“自由参数”，与哈勃常数、暗能量参数等一起分析。这意味着整个测量过程完全独立于早期宇宙数据和距离阶梯，是真正意义上的“纯晚期宇宙观测分析”。

三

核心发现：暗能量可能在演化，哈勃常数更贴近晚期观测

通过联合分析三组数据，研究团队在两种主流宇宙学模型中得到了重要结果：

1. 标准宇宙学模型（假设暗能量恒定）

测得的哈勃常数大约是每秒每百万秒差距76.1千米（误差范围在-11.5到+6.1之间），宇宙中物质的密度参数约为0.310（误差±0.008）。

从图1测量结果分布可以清楚看到，引力波的绝对距离测量，有效解决了其他两种工具中“参数相互干扰”的问题；而重子声学振荡和超新星对物质密度的精准限制，进一步缩小了哈勃常数的误差范围，三者联手让测量结果更可靠。

图1：标准宇宙学模型下，不同数据组合的哈勃常数、声学视界尺度、超新星绝对星等和物质密度参数二维后验分布。可以看出，引力波标准汽笛的加入能够显著打破其他探针中存在的参数简并。

2. 动力学暗能量模型（允许暗能量密度随时间演化）

测得的哈勃常数大约是每秒每百万秒差距74.8千米（误差范围在-8.9到+6.3之间），物质密度参数约为0.320（误差在-0.012到+0.015之间），暗能量的两个关键参数分别为-0.775（误差±0.074）和-0.80（误差±0.47）。

这组结果透露了两个重要信息：

• 暗能量可能在演化：在约2倍标准差的置信水平下，数据更倾向于暗能量状态方程参数随宇宙演化而改变，而非标准模型中的“宇宙学常数”（恒定不变）。

• 哈勃常数更贴近晚期观测：这次测得的数值，与距离阶梯法（晚期宇宙观测）的结果更为一致，为理解哈勃常数的差异提供了新视角。

3. 暗能量的“幽灵穿越”信号

图2：暗能量状态方程参数随红移变化的重建结果。绿色水平线对应标准宇宙学模型，深蓝色和浅蓝色带状区域分别代表联合观测给出的1倍和2倍标准差置信区间，可见其在1倍标准差的置信区间内出现了温和的“幽灵穿越”行为。

研究团队还进一步分析了暗能量状态方程参数随宇宙红移（即时间）的演化规律。图2结果显示，在1倍标准差的置信区间内，暗能量的状态方程参数在红移约0.5附近，会从小于-1过渡到大于-1，呈现出温和的“幽灵穿越”行为。

不过需要说明的是，在2倍标准差的置信区间内，这个结果仍与“暗能量密度恒定”的模型相容。因此，这一信号可视为暗能量可能演化的“支持性证据”，还需要未来更多高精度数据来验证。

四

学术意义与未来展望

这项研究的核心价值体现在三个方面：

1. 方法创新：提出了“引力波+重子声学振荡+Ia型超新星”的联合观测框架，完全摆脱了对早期宇宙数据和传统距离阶梯的依赖，为独立测量宇宙膨胀参数开辟了新路径。

2. 首次实现：此前引力波数据仅能限制哈勃常数，对暗能量参数几乎无限制能力。本工作通过联合分析，首次基于真实引力波数据同时对哈勃常数和暗能量状态方程参数给出了有意义的限制。

3. 科学发现：纯晚期宇宙的观测数据，在约2倍标准差的水平上支持暗能量演化，并给出了与宇宙距离阶梯一致的哈勃常数，还发现了暗能量可能存在“幽灵穿越”的信号。

展望未来，随着全球引力波观测网络的持续运行，以及下一代引力波探测器（如爱因斯坦望远镜、宇宙探索者）的建设，引力波“标准汽笛”的样本数量和测量精度将大幅提升。

届时，引力波与电磁波的多信使联合分析，将在哈勃常数的精密测量、暗能量性质的深入探索，以及宇宙学模型的严格检验等前沿领域，发挥越来越关键的作用，帮助人类一步步揭开宇宙的终极奥秘。

【参考文献】

[1] Ji-Yu Song, Guo-Hong Du, Tian-Nuo Li, Ling-Feng Wang, Jing-Zhao Qi, Jing-Fei Zhang, and Xin Zhang. Gravitational wave standard sirens from GWTC-3 combined with DESI DR2 and DESY5: A late-universe probe of the Hubble constant and dark energy. Sci. China Phys. Mech. Astron., 69(4):240413, 2026.

[2] R. Abbott et al. Constraints on the Cosmic Expansion History from GWTC–3. Astrophys. J., 949(2):76, 2023.

[3] M. Abdul Karim et al. DESI DR2 results II. Measurements of baryon acoustic oscillations and cosmological constraints. Phys. Rev. D, 112(8):083515, 2025.

[4] T. M. C. Abbott et al. The Dark Energy Survey: Cosmology Results with ~1500 New High-redshift Type Ia Supernovae Using the Full 5 yr Data Set. Astrophys. J. Lett., 973(1):L14, 2024.

[5] B. O. S´anchez et al. The Dark Energy Survey Supernova Program: Light Curves and 5 Yr Data Release. Astrophys. J., 975(1):5, 2024.