近日，东北大学张鑫教授团队在宇宙学前沿研究领域取得重要进展。团队联合国内相关科研单位，利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）、暗能量巡天光谱仪（DESI）以及最新宇宙微波背景（CMB）观测数据，对早期暗能量模型进行了系统研究。研究表明，JWST高红移星系观测能够为早期暗能量提供新的独立约束，并显著增强该类模型缓解“哈勃常数危机”的能力。
相关研究成果以“Resolving the Hubble Tension in the Early Dark Energy Framework with JWST and DESI Data”为题，于2026年9月发表在国际天文学顶级期刊The Astrophysical Journal Letters（ApJL）上。东北大学理学院博士研究生杜国宏为论文第一作者，东北大学张鑫教授为通讯作者。东北大学理学院辽宁省宇宙学与天体物理重点实验室为论文第一完成单位。
哈勃常数描述当前宇宙的膨胀速度，是现代宇宙学最基本的参数之一。长期以来，基于早期宇宙微波背景辐射推断得到的哈勃常数，与利用本地距离阶梯直接测量得到的结果之间存在显著差异。这一被称为“哈勃张力”或“哈勃常数危机”的问题，是当前精确宇宙学研究中最受关注的重大科学难题之一。在标准ΛCDM宇宙学模型下，Planck观测给出的哈勃常数约为67.4 km s⁻¹ Mpc⁻¹，而SH0ES本地距离阶梯测量结果约为73.0 km s⁻¹ Mpc⁻¹，两者之间存在超过5σ的显著差异。
早期暗能量是近年来解释哈勃常数危机的重要理论方案之一。其基本思想是，在宇宙极早期、特别是宇宙复合时期前后，存在一种短暂占据一定比例的额外能量成分，使早期宇宙膨胀速度加快，并相应缩短作为宇宙学“标准尺”的声视界尺度。由于宇宙微波背景对声学角尺度测量极为精确，声视界的减小可以使由早期宇宙观测推断得到的哈勃常数升高，从而缩小与本地直接测量之间的差异。与此同时，这种早期暗能量在完成作用后迅速衰减，从而尽可能减少对后期宇宙演化的影响。
以往对早期暗能量的研究主要依赖宇宙微波背景、重子声学振荡和超新星等传统宇宙学观测。本项工作的一个重要创新，是将JWST高红移星系观测进一步纳入统一的宇宙学分析框架，从早期宇宙结构形成这一全新角度检验早期暗能量模型。
研究团队采用了红移约为7至12的JWST高红移星系紫外光度函数数据，并通过暗物质晕质量函数、恒星与暗物质晕质量关系以及紫外光度模型，将早期宇宙物质涨落与实际观测到的星系数量联系起来。同时，研究中将多个与星系形成相关的天体物理参数作为自由参数进行联合约束，以尽量降低复杂星系形成过程对宇宙学结果的影响。
在宇宙学观测数据方面，研究综合使用了Planck卫星、阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）和南极望远镜（SPT）的最新宇宙微波背景温度、偏振及引力透镜数据，并结合DESI第二批数据发布（DR2）的重子声学振荡测量，对四种具有代表性的早期暗能量模型进行了系统比较，包括轴子型早期暗能量（Axion-EDE）、α-吸引子早期暗能量、Rock ‘n’ Roll早期暗能量以及AdS早期暗能量。
不同数据组合下Axion-EDE模型对哈勃常数的测量结果（根据论文结果绘制）
研究结果显示，在标准ΛCDM模型中，CMB、DESI和JWST联合数据给出的哈勃常数仍与本地距离阶梯测量存在显著不一致。相比之下，在表现最优的轴子型早期暗能量（Axion-EDE）模型中，哈勃常数提高至71.58±1.05 km s⁻¹ Mpc⁻¹，早期暗能量在关键演化时期的峰值占比约为10%，其特征红移约为3700。采用QDMAP统计量衡量后，与本地距离阶梯测量之间的不一致性由标准模型中的4.6σ显著降低至0.6σ，其他几类早期暗能量模型也均能不同程度缓解这一不一致性。
研究进一步发现，JWST高红移星系数据在推动这一结果方面发挥了重要作用。在红移约为10时，不同宇宙学模型对星系紫外光度函数的预测总体较为接近；而在红移约为11至12时，JWST观测到的星系丰度整体高于标准ΛCDM模型的理论预测，早期暗能量模型与标准模型之间的差异也更加明显。特别是在红移约为12时，Axion-EDE模型相对于标准ΛCDM模型能够将紫外光度函数明亮端的理论预测提高约5%，暗弱端最高提高约10%，从而改善理论预测与JWST高红移星系观测之间的一致性。
从统计拟合结果来看，Axion-EDE模型相对于标准ΛCDM模型表现出明显改善。在CMB、DESI和JWST联合分析中，其总卡方改善达到Δχ²=-18.26，偏差信息准则改善为ΔDIC=-11.89。其中，最大的拟合改善来自JWST高红移星系数据，同时CMB和DESI数据的拟合也有所改善。这表明，在当前分析框架下，早期暗能量能够在多个相互独立的观测数据之间找到更加协调的参数区域，而并非以牺牲其他高精度宇宙学观测的拟合质量为代价来提高哈勃常数。
研究还揭示出早期暗能量与宇宙暴胀物理之间潜在的重要联系。结果显示，能够显著缓解哈勃常数危机的早期暗能量模型通常倾向于使描述原初密度涨落性质的标量谱指数更加接近1。这意味着，如果未来观测进一步证实早期暗能量是哈勃常数危机的可能物理来源，其影响可能不仅局限于哈勃常数本身，还将为理解宇宙暴胀阶段的基本物理提供新的线索。
研究团队表示，本项工作的一个重要意义，在于进一步拓展了利用高红移星系观测检验早期宇宙新物理的研究路径。与直接测量本地哈勃常数不同，JWST提供的是关于宇宙早期星系形成和结构增长的独立信息。将JWST与CMB、DESI等不同类型的观测相结合，可以从宇宙膨胀历史和结构形成两个不同角度对早期暗能量进行交叉检验，从而进一步提高相关研究的可靠性。
与此同时，研究团队也指出，高红移星系的理论解释仍受到暗物质晕质量函数、恒星形成效率、恒星-暗物质晕关系以及尘埃消光等天体物理过程的影响。当前结果为早期暗能量研究提供了新的重要证据和研究方向，但仍需要未来更大样本、更高精度的JWST观测以及更加完善的星系形成模型进行进一步检验。
随着JWST持续开展深场观测，DESI进一步积累大规模星系巡天数据，以及新一代宇宙微波背景实验不断提升观测精度，研究人员将能够更加严格地检验早期暗能量是否真实存在，并进一步判断当前哈勃常数危机究竟源于观测系统误差，还是预示着超越标准宇宙学模型的新物理。
该项研究受到国家自然科学基金重点和面上项目、国家重点研发计划SKA专项项目、中国载人航天工程空间站巡天望远镜CSST项目、引智计划111项目以及上海市自然科学基金项目等共同资助。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae9f47
