过去三十年间，随着天文观测数据在数量和质量上的不断提升，宇宙学研究进入了所谓的精确宇宙学时代。宇宙背景探索者（COBE）卫星，威尔金森微波背景各向异性探测器（WMAP）、特别是普朗克卫星以前所未有的精度测量了宇宙微波背景辐射（CMB）中的微小各向异性，加之越来越多的Ia型超新星的观测数据，以及宇宙大尺度结构的巡天数据，使得主要的宇宙学参数测定精度达到了百分之一的量级。这些海量精确数据确立了ΛCDM模型作为标准宇宙学框架的地位。然而，近年来随着观测精度的提升，也显示出天文观测与标准模型之间一些微妙的矛盾与异常现象，可能蕴含着未知物理的存在。为此，中国科学院学部于2024年10月22日至24日在宁波大学举办了"未来宇宙学的新挑战与新物理"学术论坛，汇聚了近百位国内专家共同探讨当前天文观测数据之间的自洽性，理论模型与观测数据之间存在的问题，以及未来观测宇宙的发展方向等。
这次论坛由中国科学院数学物理学部和学部学术与出版工作委员会承办，宁波大学与《中国科学》杂志社协办。由国家天文台武向平院士，上海交通大学景益鹏院士和宁波大学蔡荣根院士担任论坛召集人。《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版68卷第10期出版了“New Challenges and New Physics in Future Cosmology”专题，集中展示了论坛的部分成果（图1）。
图1：“New Challenges and New Physics in Future Cosmology”专题封面
通过观测Ia型超新星（SNe Ia）,1998年发现的宇宙加速膨胀现象，给理论物理和宇宙学带来了巨大的挑战。为解释这一现象，科学家们提出了具有负压强的暗能量假说。暗能量最简单的候选者是等效于真空能量的宇宙学常数，但其测量值与理论预测值的巨大差异带来了严重的精细调节问题。暗能量的性质——尤其是其能量密度是否随时间演化——始终是现代宇宙学最重要的未解谜题之一。2024年，暗能量光谱仪（DESI）公布了重子声波振荡（BAO）的第一年观测数据（DR1）。基于暗能量状态参数的Chevallier-Polarski-Linder（CPL）参数化， DESI的观测结果似乎暗指暗能量具有随时间演化的迹象（图2）。引力波的发现开启了多信使宇宙学的新时代，为直接探测宇宙动力学演化提供了可能。专刊中张骥国等人提出联合使用强引力透镜和非透镜化的快速射电暴来研究暗能量的特性[1]；高盛晴等人则建议利用DESI的BAO数据对ΛCDM模型和宇宙演化进行零检验[2]。
图2：暗能量动力学观测证据
宇宙学参数测量精度的持续提升，使得哈勃常数危机问题成为了宇宙学前沿焦点问题。哈勃常数危机是指Ia型超新星通过造父变星等距离阶梯法的本地测得的哈勃常数值，与基于ΛCDM模型从CMB测量导出的结果之间存在超过4σ的差异（图3）。对此的可能解释包括：重组合前改变宇宙膨胀的早期暗能量模型、增加被称为暗辐射的额外相对论性粒子、或是改变宇宙膨胀和结构增长的暗能量暗物质相互作用模型等。黄路等人提出哈勃常数危机本质上来自于前两级距离阶梯的标定上[3]；芮冠华等人探讨了强引力透镜超新星解决哈勃常数危机问题的潜力[4]；庞业煌等人研究了早期暗能量对动力学暗能量证据及哈勃常数危机的影响[5]。与哈勃常数危机问题密切相关的还有S8危机——即8 Mpc/h尺度上物质涨落的幅度。暗能量巡天（DES）等弱引力透镜和大尺度巡天得到的S8值普遍低于基于ΛCDM模型的普朗克卫星观测得到的测量值。而近期完成的千平方度巡天（KiDS）数据给出的S8值，与普朗克结果在0.73σ显著性水平上相符。在暗物质探测方面，龚远林等人提出探测毫电荷暗物质的新方法[6]；郭俊等人则提出通过研究硅晶体中晕依赖的非谐效应来直接探测轻暗物质[7]；李博华等人研究了复标量场暗物质对结构增长的影响[8]；黄洋等人分析了宇称奇异的旋转玻色星的透镜效应[9]。
图3：哈勃常数危机问题示意图
在理论研究和观测技术革新的共同推动下，宇宙学研究前景广阔。中国空间站望远镜（CSST）、多路复用巡天望远镜（MUST）和鲁宾天文台的时空遗留巡天（LSST）等重大项目，将通过绘制数百万星系的三维分布图，提升对暗能量本质和宇宙尺度引力理论的检验能力。巩岩等人系统阐述了CSST的科学目标[10]；蔡峥等人则对MUST的性能与进展进行了全面评述[11]。
本专题刊载的论文涵盖了暗能量与哈勃常数危机问题的前沿研究，暗物质探测的新方案，也介绍了我国在天文观测领域的重要望远镜项目。我们衷心感谢所有论坛参与者和投稿作者的真知灼见，并期待这些讨论能激励更多青年才俊投身宇宙学这一激动人心的研究领域。
专题篇目
1 Ji-Guo Zhang, Yi-Fan Jiang, Ze-Wei Zhao, Jing-Zhao Qi, Jing-Fei Zhang, and Xin Zhang, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280406 (2025)
2 Shengqing Gao, Qing Gao, Yungui Gong, and Xuchen Lu, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280408 (2025)
3 Lu Huang, Rong-Gen Cai, Shao-Jiang Wang, Jian-Qi Liu, and Yan-Hong Yao, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280405 (2025)
4 Guanhua Rui, Wenwen Zheng, Zizhao He, Yiping Shu, Bin Hu, Xinzhong Er, and Guoliang Li, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280407 (2025)
5 Ye-Huang Pang, Xue Zhang, and Qing-Guo Huang, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280410 (2025)
6 Yuanlin Gong, Hongliang Tian, Lei Wu, and Bin Zhu, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280412 (2025)
7 Jun Guo, Lei Wu, and Bin Zhu, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280404 (2025)
8 Qi Yang, Bohua Li, and Paul R. Shapiro, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280409 (2025)
9 Yang Huang, Dao-Jun Liu, and Hongsheng Zhang, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280411 (2025)
10 Yan Gong, Haitao Miao, Xingchen Zhou, Qi Xiong, Yingxiao Song, Yuer Jiang, Minglin Wang, Junhui Yan, Beichen Wu, Furen Deng, Xuelei Chen, Zuhui Fan, Yipeng Jing, Xiaohu Yang, and Hu Zhan, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280402 (2025)
11 Zheng Cai, Yu Liu, Cheng Zhao, Song Huang, and Lei Huang, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68, 280403 (2025)
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https://www.sciengine.com/SCPMA/issue/68/8
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