Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Матавимай, как да определим константата на Хъбъл: Напрежение

Несъответствия между местни и ранни измервания на Вселената, пораждащи нови космологични въпроси

Защо H0 важно

Hablo константа (H0) описва настоящата скорост на разширяване на Вселената, обикновено изразена в километри в секунда на мегапарсек (км/с/Мпк). Точната стойност на H0 в космологията е изключително важна, защото:

  1. Посочва възрастта на Вселената, ако екстраполираме разширението назад във времето.
  2. Калибрира мащаба на разстоянията за други космически измервания.
  3. Помага да се разрешат двусмислия в космологичните параметри (напр. плътност на материята, параметри на тъмната енергия).

Традиционно астрономите измерват H0 по два различни начина:

  • Местен (стълбов метод): Започвайки от паралакс до Цефеиди или TRGB (връх на червените гиганти), след това използвайки свръхнови от тип I. Така се получава директна скорост на разширение в относително близката Вселена.
  • Метод на ранната Вселена: Извежда H0 от данни на космическото микровълново фоново излъчване (КФС) според избран космологичен модел (ΛCDM) и барионни акустични осцилации (BAO) или други ограничения.

През последните години тези два метода дават значително различни стойности на H0: по-висока (~73–75 км/с/Мпк) от местния метод и по-ниска (~67–68 км/с/Мпк) – от изчисления, базирани на КФС. Това несъответствие, наречено „Хъбъл напрежение“, показва или нова физика извън стандартния ΛCDM, или все още неоткрити систематични грешки в един или двата метода.

2. Местна Стълба на Разстоянията: По Етапи

2.1 Паралакс и Калибриране

Основата на местната стълба на разстоянията е паралаксът (тригонометричен) за близки светила (мисия Gaia, HST паралакси за Цефеиди и др.). Паралаксът определя абсолютния мащаб за такива стандартни светила като Цефеидни променливи звезди, които имат добре описана връзка между период и яркост.

2.2 Цефеиди и TRGB

  • Цефеидни променливи звезди: Основен етап за калибриране на далечни маркери, напр. свръхнови от тип I. Freedman и Madore, Riess и сътр. (SHoES екип) и други усъвършенстваха местната калибрация на Цефеидите.
  • Върхът на червените гиганти (TRGB): Друг метод, използващ яркостта на червените гигантски звезди при възпламеняване на хелий (в метално бедни популации). Carnegie–Chicago екипът (Freedman и сътр.) постигна ~1 % точност в някои местни галактики, предоставяйки алтернатива на Цефеидите.

2.3 Свръхнови от тип I

Когато Цефеиди (или TRGB) в галактиките стават котва за определяне на светлината на свръхнови, свръхновите могат да се наблюдават на стотици Мпк разстояние. Сравнявайки измерената яркост на свръхновата с изведената абсолютна яркост, се получава разстоянието. Съгласувано с червено отместване и разстояние, локално се извежда H0.

2.4 Местни Измервания

Riess и сътр. (SHoES) често определят H0 ≈ 73–74 км/с/Мпк (погрешност ~1,0–1,5%). Freedman и сътр. (TRGB) намират ~69–71 км/с/Мпк – малко по-малко от Riess, но все пак по-високо от Планк ~67. Така, макар местните измервания да се различават леко, те обикновено се съсредоточават в диапазона 70–74 км/с/Мпк – повече от ~67 от Планк.

3. Метод на ранната Вселена (КФС)

3.1 Модел ΛCDM и КФС

Космическият микровълнов фон (КФС), измерен от WMAP или Planck, според стандартния ΛCDM космологичен модел позволява определяне на мащаба на акустичните върхове и други параметри. От прилагането на спектъра на мощността на КФС се получават стойности за Ωb h², Ωc h² и други. Комбинирайки ги с предположението за плоскост и BAO или други данни, се извежда H0.

3.2 Измерване на Planck

Planck колаборацията обикновено дава крайни данни с H0 = 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк (в зависимост от средствата), ~5–6σ по-ниска от локалните измервания на SHoES. Тази разлика, известна като напрежение на Хъбъл, е на ниво ~5σ, което показва, че едва ли е случайно отклонение.

3.3 Защо това несъответствие е важно

Ако стандартният модел ΛCDM е верен и данните на Planck са надеждни, тогава в локалния метод на стълбите трябва да има неизвестна систематика. В противен случай, ако локалните разстояния са верни, може би моделът на ранната Вселена е непълен – нова физика може да повлияе на космическото разширение или да съществуват допълнителни релативистични частици или ранна тъмна енергия, които променят изведената стойност на H0.

4. Възможни причини за несъответствието

4.1 Систематични грешки в метода на стълбите?

Възниква подозрение дали в калибрирането на Цефеидите или фотометрията на свръхновите не е останала некоригирана грешка – напр. металино влияние върху Цефеидите, локална корекция на потока или пристрастие при избора. Въпреки това силното съгласие между няколко групи намалява вероятността за голяма грешка. Методите TRGB също дават малко по-висока стойност на H0, макар и леко по-ниска от тази на Цефеидите, но все пак по-висока от резултата на Planck.

4.2 Нерешени систематики в КФС или ΛCDM?

Друга възможност – в интерпретацията на Planck КФС според ΛCDM липсва важна връзка, напр.:

  • Разширени свойства на неутриното или допълнителни релативистични частици (Neff).
  • Ранна тъмна енергия близо до рекомбинацията.
  • Некаривост или времево променяща се тъмна енергия.

Planck не показва ясни признаци за това, но в някои разширени модели има слаби намеци. До момента нито едно решение не елиминира напълно напрежението без допълнителни аномалии или повишена сложност.

4.3 Съществуват ли два различни размера на константата на Хъбъл?

Някои предполагат, че в ниския червен отместване разширяването на Вселената може да се различава от глобалното средно, ако има големи локални структури или нееднородности (наречени „Hubble bubble"). Въпреки това измерванията от различни посоки, други космически мащаби и общият принцип на хомогенност показват, че значителна локална празнина или среда едва ли биха обяснили това напрежение.

5. Усилия за Решаване на Напрежението

5.1 Независими Методи

Изследователите проверяват алтернативни локални калибрации:

  • Мазери в мегамазерни галактики (напр. NGC 4258) като котва за разстоянията на свръхнови.
  • Забавяния във времето на силно гравитационно лещиране (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Флуктуации на повърхностната яркост в елиптични галактики.

Досега тези методи обикновено показват H0 стойности в диапазона „високи 60-те – ниски 70-те“, не винаги идентични, но обикновено по-големи от 67. Следователно няма един независим метод, който напълно да разсее напрежението.

5.2 Повече Данни от DES, DESI, Euclid

BAO измерванията при различни червени измествания позволяват възстановяване на H(z) и проверка дали от z = 1100 (епоха на КФС) до z = 0 има отклонения от ΛCDM. Ако наблюденията покажат червено изместване, при което локално се получава по-голям H0, съвпадащ с Планк при голямо z, това може да означава нова физика (напр. ранна тъмна енергия). DESI цели ~1 % точност на измерване на разстоянията при няколко червени измествания, което може да помогне за по-ясно разбиране на хода на космическото разширение.

5.3 Следващо Поколение Стълба на Разстоянията

Локалните екипи продължават да усъвършенстват калибрирането на паралакси с помощта на данни от Gaia, подобряват нулевата точка на Цефеидите и преглеждат систематичните грешки във фотометрията на свръхновите. Ако напрежението остане с по-малки грешки, възможността за нова физика извън ΛCDM нараства. Ако напрежението изчезне – това ще потвърди солидността на ΛCDM.

6. Значение за Космологията

6.1 Ако Планк е Вярен (Нисък H0)

Нисък H0 ≈ 67 км/с/Мпк съответства на стандартния ΛCDM от z = 1100 до сега. Тогава локалните методи на стълбата биха били системно грешни или живеем на необичайно място. Такъв сценарий показва възраст на Вселената около ~13,8 млрд. години, а прогнози за големомащабната структура съвпадат с данните за струпвания на галактики, BAO и лещиране.

6.2 Ако Локалната Стълба е Вярна (Висок H0)

Ако H0 ≈ 73 биха се потвърдили, тогава обяснението на модела \(\Lambda\)CDM на Планк е непълно. Може да се наложи:

  • Допълнителна ранна тъмна енергия, временно ускоряваща разширяването до рекомбинацията и така променяща върховите ъгли, поради което изведената от Планк стойност на H0 е намалена.
  • Повече релативистични степени на свобода или нова физика на неутриното.
  • Отдалечаване от предположението, че Вселената е плоска и строго описана само от \(\Lambda\)CDM.

Такава нова физика би могла да разреши напрежението, макар и да изисква по-сложен модел. Това може да се провери с други данни (лечение на КФС, показатели за растежа на структурите, нуклеосинтеза).

6.3 Перспективи за бъдещето

Напрежението стимулира нови кръстосани проверки. Изследванията на CMB-S4 или по-нови поколения космически микровълнов фон могат да проверят дали растежът на структурите съответства на висока или ниска стойност на H0. Ако напрежението остане на ~5σ ниво, това ще бъде силен намек, че стандартният модел трябва да бъде разширен. Теоретични пробиви или новооткрити грешки в крайна сметка биха могли решително да разрешат въпроса.

7. Заключение

Измерването на константата на Хъбъл (H0) е ядрото на космологията, свързващо локалните наблюдения на разширението с моделите на ранната Вселена. Настоящите методи дават две различни стойности:

  1. Локалната стълба на разстоянията (използвайки Цефеиди, TRGB, свръхнови) обикновено показва H0 ≈ 73 км/с/Мпк.
  2. ΛCDM, базиран на КФС, прилаган върху данните на Планк, дава H0 ≈ 67 км/с/Мпк.

Това „напрежение на Хъбъл“, с ниво на значимост около 5σ, показва неизвестни систематични грешки в някой от методите или нова физика извън стандартния ΛCDM. Продължаващите подобрения в паралакса (Gaia), нулевата точка на свръхновите, забавянията във времето на лещиране и BAO при високи червени измествания проверяват всички хипотези. Ако напрежението остане, това може да индикира екзотични решения (ранна тъмна енергия, допълнителни неутрино и др.). Ако напрежението намалее, ще потвърдим здравината на ΛCDM.

Всеки сценарий силно влияе на нашата космическа история. Напрежението стимулира нови наблюдателни кампании (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) и усъвършенствани теоретични модели, подчертавайки динамиката на съвременната космология – когато точните данни и дългосрочните несъответствия ни водят към опит да обединим ранната и съвременната Вселена в една цялостна картина.

Литература и допълнително четиво

  1. Riess, A. G., et al. (2016). „Определяне на локалната стойност на константата на Хъбъл с точност 2.4%.“ The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). „Резултати от Planck 2018. VI. Космологични параметри.“ Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). „Програмата Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Независимо определяне на константата на Хъбъл въз основа на върха на червените гиганти.“ The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). „Напрежения между ранната и късната Вселена.“ Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). „Ръководство за ловците на константата на Хъбъл.“ Physics Today, 73, 38.
Върнете се в блога