臺北市立天文科學教育館

一項新提出的理論數學框架同時研究了宇宙學中面臨的兩大難題，並挑戰了現代宇宙論模型的基礎認知。

一直到最近，我們對宇宙學的理解都是以ΛCDM模型為基礎，ΛCDM模型由三個關鍵組成，第一個是宇宙常數，它被認為是與暗能量有關的固定值，可能是驅動宇宙加速膨脹的主因；第二個是冷暗物質，儘管從未被直接觀測到，但我們認為它約佔宇宙所有物質的85%；第三個是普通物質，可以透過天文觀測來偵測。儘管ΛCDM模型的預測已經過數十年的驗證而屹立不搖，但近來卻面臨越來越大的壓力。近期對暗能量光譜儀（DESI）最新釋出觀測資料的分析似乎動搖了ΛCDM模型關於暗能量本質的預測。

除了這項新出現的挑戰之外，還長期存在一個與哈伯定律相關的問題。目前對宇宙膨脹速度的測量結果之間存在顯著差異，例如基於宇宙微波背景輻射（CMB）的估計與距離階梯法的測量結果存在明顯的矛盾，這項對早期宇宙與鄰近宇宙測量的差異被稱為哈伯張力，過去認為是觀測的誤差，但即使觀測方法有所改進，它們之間的差異仍然存在。

在這項最新研究中，研究團隊提出這兩個難題有可能是互相關聯的。為了確定這些問題是否可以在ΛCDM以外的宇宙學模型中解決，或者是否需要對基礎物理學有全新的理解，研究團隊認為必須在一個統一的框架內對它們進行研究。為了建構這個框架，團隊考慮了不同宇宙膨脹探測手段對不同宇宙歷史時期的敏感度。例如，雖然宇宙微波背景輻射（CMB）的測量非常適合探測高紅移宇宙，但Ia型超新星和重子聲波振盪（BAO）等探測手段則更適合研究較晚形成的近鄰星系。

團隊接著比較了五種不同的暗能量模型的預測結果，其中包括標準的ΛCDM模型。他們的分析揭示了四個關鍵結果。首先，哈伯張力在所有五種模型中仍然是一個持續存在的挑戰，這表明問題的根源可能在於我們對基礎物理學的核心理解，或者在於尚未解決的系統性誤差。其次，無論使用何種資料集組合，沒有任何其他模型在統計上比標準的ΛCDM模型具有顯著優勢，這代表儘管目前的觀測數據非常精確，但尚不足以明確區分這些相互競爭的暗能量理論。第三，該框架發現了令人信服的證據，顯示暗能量的性質自宇宙早期以來一直在演化。最後，研究團隊初步發現了暗物質和暗能量之間存在相互作用的跡象：這項發現將挑戰我們目前對基礎物理學的理解。

圖說：暗能量狀態函數隨著紅移演化。圖片展示五種模型在四種不同的資料組合下對狀態函數的限制，其中ξ指數模型為暗能量與物質相互作用的模型。圖中明顯的演化趨勢：高紅移CMB資料傾向於Phantom（w<-1），而低紅移BAO和超新星資料傾向於Quintessence（w>-1）。Credit: Zhuoming Zhang et al.

圖說：基於ξ指數模型對交互作用暗能量的限制。左圖w-ξ平面上68%和95%信賴區間限制，黑色實線和虛線分別標示非交互作用和ΛCDM模型的極限。右圖為交互作用強度ξ+3wX的機率分佈。負值表示能量從暗能量轉移到物質。完整資料集（CMB+重力透鏡+BAO+Ia型超新星）在 68%信賴區間下傾向於負耦合。Credit: Zhuoming Zhang et al.

這些結論對目前ΛCDM模型提出了明確的挑戰。同時，它們也指明了兩個研究方向：一是建構檢驗暗能量的新框架，二是集中尋找暗物質與暗能量之間的相互作用。然而，在宇宙學家能夠全面進行研究前，需要新一代的巡天計畫、更複雜的理論框架以及嚴謹的方法來應對不確定性與系統性誤差，如果這些條件得到滿足，這些努力將使人們對宇宙學中新出現的和長期存在的謎團的滿意解答更進一步。（編譯／王庭萱）

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原始論文：Zhuoming Zhang et al, Dynamical Dark Energy and the Unresolved Hubble Tension: Multi-model Constraints from DESI 2025 and Other Probes, The Astrophysical Journal (2026). DOI: 10.3847/1538-4357/ae4738