Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Matavimai, hvordan man bestemmer Hubbles konstant: Spænding

Uoverensstemmelser mellem lokale og tidlige universmålinger, der rejser nye kosmologiske spørgsmål

Hvorfor H0 vigtig

Hubble-konstanten (H0) beskriver den nuværende udvidelseshastighed af universet, typisk udtrykt i kilometer per sekund per megaparsek (km/s/Mpc). En præcis værdi af H0 er meget vigtig i kosmologi, fordi:

  1. Angiver universets alder, hvis vi ekstrapolerer ekspansionen tilbage i tiden.
  2. Kalibrerer afstandsskalaen for andre kosmiske målinger.
  3. Hjælper med at løse degeneracy i kosmologiske parametre (f.eks. materietæthed, mørk energi-parametre).

Traditionelt måler astronomer H0 på to forskellige måder:

  • Lokal (afstandsstige) metode: Starter fra parallakse til Cepheider eller TRGB (toppen af røde kæmper), og derefter bruges type I supernovaer. Dette giver en direkte måling af ekspansionshastigheden i det relativt nære univers.
  • Tidlige Univers-metoden: H0 udledes fra kosmisk mikrobølgebaggrundsdata (KFS) baseret på en valgt kosmologisk model (ΛCDM) og baryon-akustiske oscillationer (BAO) eller andre begrænsninger.

I de senere år giver disse to metoder signifikant forskellige værdier for H0: en højere (~73–75 km/s/Mpc) fra den lokale metode og en lavere (~67–68 km/s/Mpc) fra KFS-baserede beregninger. Denne uoverensstemmelse, kaldet “Hubble-spændingen”, indikerer enten ny fysik ud over standard ΛCDM eller uopdagede systematiske fejl i en eller begge metoder.

2. Lokal Afstandsstige: Trin for Trin

2.1 Parallakse og Kalibrering

Grundlaget for den lokale afstandsstige er parallakse (trigonometrisk) for nære lysobjekter (Gaia-missionen, HST-parallakser for Cepheider osv.). Parallaksen fastlægger den absolutte skala for standardlysobjekter som Cepheide variable stjerner, der har en velbeskrevet periode-lysstyrke-relation.

2.2 Cepheider og TRGB

  • Cepheide variable stjerner: Det primære trin til kalibrering af fjerne markører som type I supernovaer. Freedman og Madore, Riess et al. (SHoES-teamet) og andre har forbedret den lokale Cepheidkalibrering.
  • Toppen af røde kæmper (TRGB): En anden metode, der udnytter lysstyrken af røde kæmpestjerner ved heliumflammen (i metalfattige populationer). Carnegie–Chicago-teamet (Freedman et al.) har opnået ~1 % nøjagtighed i nogle lokale galakser, hvilket giver et alternativ til Cepheider.

2.3 Type I Supernovaer

Når Cepheider (eller TRGB) i galakser bliver ankerpunkter for supernovalyse, kan supernovaer observeres op til hundreder af Mpc væk. Ved at sammenligne den observerede lysstyrke med den afledte absolutte lysstyrke fås afstanden. Ved at kombinere rødforskydning og afstand udledes lokalt H0.

2.4 Lokale Målinger

Riess et al. (SHoES) fastsætter ofte H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (fejlmargin ~1,0–1,5%). Freedman et al. (TRGB) finder ~69–71 km/s/Mpc – lidt lavere end Riess, men stadig højere end Plancks ~67. Så selvom lokale målinger varierer lidt, samler de sig typisk omkring 70–74 km/s/Mpc – mere end Plancks ~67.

3. Den tidlige univers (CMB) metode

3.1 ΛCDM-modellen og CMB

Den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling (CMB), målt af WMAP eller Planck, under den standard ΛCDM kosmologiske model, tillader bestemmelse af akustiske toppe og andre parametre. Fra CMB's effekt-spektrum tilpasning opnås Ωb h², Ωc h² og andre værdier. Ved at kombinere disse med fladhedsantagelsen samt BAO eller andre data udledes H0.

3.2 Plancks måling

Planck-samarbejdets endelige data viser typisk H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (afhængigt af metoder), ~5–6σ lavere end lokale SHoES-målinger. Denne forskel, kendt som Hubble-spændingen, er på ~5σ niveau, hvilket indikerer, at det næppe er en tilfældig afvigelse.

3.3 Hvorfor denne uoverensstemmelse er vigtig

Hvis den standard ΛCDM-model er korrekt, og Plancks data er pålidelige, bør der være en ukendt systematik i den lokale stige-metode. Alternativt, hvis de lokale afstande er korrekte, kan det tidlige universmodel være ufuldstændig – ny fysik kunne påvirke den kosmiske ekspansion eller der kunne eksistere ekstra relativistiske partikler eller tidlig mørk energi, som ændrer den udledte H0.

4. Mulige årsager til uoverensstemmelse

4.1 Systematiske fejl i stige-metoden?

Der opstår mistanke om, hvorvidt kalibreringen af Cepheider eller supernova-fotometri efterlader en udbedret fejl – f.eks. metalingvistikpåvirkning på Cepheider, lokal strømkorrektion eller udvælgelsesbias. Dog reducerer stærk konsensus mellem flere grupper sandsynligheden for en stor fejl. TRGB-metoder giver også en lidt højere H0, selvom den er lidt lavere end Cepheider, men stadig højere end Plancks resultat.

4.2 Uløste CMB- eller ΛCDM-systematikker?

En anden mulighed – Plancks CMB-interpretation under ΛCDM mangler et vigtigt led, f.eks.:

  • Udvidede neutrinoegenskaber eller ekstra relativistiske partikler (Neff).
  • Tidlig mørk energi nær rekombination.
  • Ikke-fladhed eller tidsvarierende mørk energi.

Planck viser ingen klare tegn på dette, men nogle udvidede modeller har svage antydninger. Indtil videre eliminerer ingen løsning fuldstændigt spændingen uden yderligere anomalier eller øget kompleksitet.

4.3 Findes der to forskellige værdier af Hubble-konstanten?

Nogle foreslår, at Universets ekspansion i det lave røde område kan afvige fra det globale gennemsnit, hvis der er store lokale strukturer eller inhomogenitet (kaldet "Hubble bubble"). Men målinger fra forskellige retninger, andre kosmiske skalaer og det generelle homogenitetsprincip viser, at en betydelig lokal tomhed eller miljø næppe kan forklare denne spænding.

5. Indsatser for at løse spændingen

5.1 Uafhængige metoder

Forskere undersøger alternative lokale kalibreringer:

  • Maserer i megamaser-galakser (f.eks. NGC 4258) som anker for supernovaafstande.
  • Stærk gravitationslinseeffekt tidsforsinkelser (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluktuationer i overflade-lysstyrke i elliptiske galakser.

Indtil videre viser disse metoder typisk H0 værdier i intervallet "høje 60'ere – lave 70'ere", ikke altid identiske, men oftest over 67. Det betyder, at der ikke findes én uafhængig metode, der fuldstændigt kan afklare spændingen.

5.2 Flere data fra DES, DESI, Euclid

BAO-målinger ved forskellige rødforskydninger gør det muligt at rekonstruere H(z) og teste, om der er afvigelser fra ΛCDM fra z = 1100 (CMB-æraen) til z = 0. Hvis observationer viser en rødforskydning, hvor lokalt opnået H0 er højere, samtidig med at Planck stemmer ved høje z, kunne det indikere ny fysik (f.eks. tidlig mørk energi). DESI sigter mod ~1 % præcision i afstandsmålinger ved flere rødforskydninger, hvilket kan hjælpe med at klarlægge universets ekspansionshistorie.

5.3 Næste generations afstandsstige

Lokale teams forbedrer fortsat parallaxkalibreringen ved hjælp af Gaia-data, forbedrer Cepheide-nulpunktet og reviderer systematiske fejl i supernova-fotometri. Hvis spændingen forbliver med mindre fejl, øges muligheden for ny fysik ud over ΛCDM-modellen. Hvis spændingen forsvinder – bekræfter det ΛCDM's robusthed.

6. Værdi for kosmologi

6.1 Hvis Planck har ret (lav H0)

Lav H0 ≈ 67 km/s/Mpc stemmer overens med standard ΛCDM fra z = 1100 til nu. Så ville lokale stigemålemetoder være systematisk forkerte, eller vi lever på et usædvanligt sted. Dette scenarie indikerer en universalder på ~13,8 mia. år, og forudsigelser for storskala struktur stemmer overens med galaksehobdata, BAO og gravitationslinseeffekter.

6.2 Hvis den lokale stige er korrekt (høj H0)

Hvis H0 ≈ 73 ville bekræfte, så er Planck-modellens \(\Lambda\)CDM-fortolkning ufuldstændig. Det kan kræve:

  • Yderligere tidlig mørk energi, som midlertidigt accelererede ekspansionen indtil rekombinationen og dermed ændrer toppunkterne, hvilket betyder, at Plancks udledte værdi for H0 er reduceret.
  • Flere relativistiske frihedsgrader eller ny neutrinofysik.
  • Afstand fra antagelsen om, at Universet er fladt og strengt beskrevet kun af \(\Lambda\)CDM.

Sådan ny fysik kunne løse spændingen, selvom det ville kræve en mere kompleks model. Det kan testes med andre data (KFS-linsering, strukturvækstindikatorer, nukleosyntese).

6.3 Fremtidige udsigter

Spændingen fremmer nye krydstjek. CMB-S4 eller næste generations kosmiske svækkelsesundersøgelser kan teste, om strukturvæksten stemmer overens med en høj eller lav H0. Hvis spændingen forbliver på ~5σ niveau, vil det være et stærkt hint om, at standardmodellen skal udvides. Teoretiske gennembrud eller nyligt opdagede fejl kan til sidst afgørende løse spørgsmålet.

7. Konklusion

Måling af Hubble-konstanten (H0) er kosmologiens kerne, der forbinder lokale udvidelsesobservationer med det tidlige Univers' modeller. Nuværende metoder giver to forskellige værdier:

  1. Den lokale afstandsstige (ved brug af Cepheider, TRGB, supernovaer) viser typisk H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM baseret på KFS, anvendt på Planck-data, giver H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Denne "Hubble-spænding", på omkring 5σ signifikansniveau, indikerer ukendte systematiske fejl i en af metoderne eller ny fysik uden for den konventionelle ΛCDM. Fortsatte forbedringer i paralakse (Gaia), supernovas nulpunkt, linsetidsforsinkelser og højrødforskydnings BAO tester alle hypoteserne. Hvis spændingen består, kan det pege på eksotiske løsninger (tidlig mørk energi, ekstra neutrinoer osv.). Hvis spændingen mindskes, bekræfter det ΛCDM's robusthed.

Enhver scenarie påvirker tydeligt vores kosmiske historie. Spændingen driver nye observationskampagner (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) og avancerede teoretiske modeller, hvilket understreger den moderne kosmologis dynamik – hvor præcise data og langvarige uoverensstemmelser fører os til at forsøge at forene det tidlige og det nuværende Univers i et samlet billede.

Litteratur og yderligere læsning

  1. Riess, A. G., et al. (2016). "En 2,4% bestemmelse af den lokale værdi af Hubble-konstanten." The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). "Planck 2018 resultater. VI. Kosmologiske parametre." Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). "The Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. En uafhængig bestemmelse af Hubble-konstanten baseret på spidsen af den røde kæmpestjernegren." The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). "Spændinger mellem det tidlige og det sene Univers." Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). "Hubble-konstantjægerens guide." Physics Today, 73, 38.
Vend tilbage til bloggen