Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Mērījumi, kā noteikt Habla konstanti: Spriegums

Vietējo un agrīnā Visuma mērījumu neatbilstības, kas rada jaunus kosmoloģiskus jautājumus

Kāpēc H0 svarīgi

Hablo konstante (H0) apraksta pašreizējo Visuma paplašināšanās ātrumu, parasti izteikts kilometros sekundē uz megaparseku (km/s/Mpc). Precīzs H0 novērtējums kosmoloģijā ir ļoti svarīgs, jo:

  1. Norāda Visuma vecumu, ja ekstrapolējam paplašināšanos atpakaļ laikā.
  2. Kalibrē attālumu mērogu citiem kosmiskiem mērījumiem.
  3. Palīdz atrisināt kosmoloģisko parametru (piemēram, matērijas blīvuma, tumšās enerģijas parametru) divdomības.

Astronomi tradicionāli H0 mēra divos dažādos veidos:

  • Vietējā (attālumu kāpņu) metode: Sākot no paralakses līdz Cepheidiem vai TRGB (sarkano milžu virsotnei), vēlāk izmantojot I tipa supernovas. Tā tiek iegūts tiešs paplašināšanās ātrums salīdzinoši tuvā Visumā.
  • Agrīnās Visuma metode: H0 tiek iegūts no kosmiskā fona mikroviļņu starojuma (KFS) datiem, izmantojot izvēlēto kosmoloģisko modeli (ΛCDM) un bariona akustisko svārstību (BAO) vai citu ierobežojumu datus.

Pēdējos gados šīs divas metodes dod būtiski atšķirīgas H0 vērtības: lielāku (~73–75 km/s/Mpc) no vietējās metodes un mazāku (~67–68 km/s/Mpc) – no KFS balstītiem aprēķiniem. Šī neatbilstība, saukta par „Hablo spriedzi“, liecina vai nu par jaunu fiziku ārpus standarta ΛCDM, vai vēl neatrisinātām sistemātiskām kļūdām vienā vai abās metodēs.

2. Vietējā attālumu kāpne: posmu princips

2.1 Paralakse un kalibrēšana

Vietējās attālumu kāpnes pamats ir paralakse (trigonometriskā) tuvām zvaigznēm (Gaia misija, HST paralakses Cepheidiem utt.). Paralakse nosaka absolūto mērogu tādām standarta zvaigznēm kā Cepheidu mainīgās zvaigznes, kurām ir labi aprakstīta perioda un spožuma saistība.

2.2 Cepheidi un TRGB

  • Cepheidu mainīgās zvaigznes: Galvenais posms, kalibrējot tālos marķierus, piemēram, I tipa supernovas. Freedman un Madore, Riess un citi (SHoES komanda) un citi uzlaboja vietējo Cepheidu kalibrēšanu.
  • Sarkano milžu virsotne (TRGB): Cita metode, kas izmanto sarkano milžu zvaigžņu spožuma nozīmi tieši pirms hēlija uzliesmojuma (metālu nabadzīgās populācijās). Carnegie–Chicago komanda (Freedman un citi) sasniedza ~1 % precizitāti dažās vietējās galaktikās, piedāvājot alternatīvu Cepheidiem.

2.3 I tipa supernovas

Kad Cepheidi (vai TRGB) galaktikās kļūst par enkura punktu supernovu spožuma noteikšanai, supernovas var novērot līdz simtiem Mpc attālumā. Salīdzinot supernovas mērīto spožumu ar iegūto absolūto spožumu, iegūst attālumu. Saskaņojot sarkano nobīdi un attālumu, lokāli tiek noteikts H0.

2.4 Vietējie mērījumi

Riess un citi (SHoES) bieži nosaka H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (kļūda ~1,0–1,5%). Freedman un citi (TRGB) atrod ~69–71 km/s/Mpc – nedaudz mazāk nekā Riess, bet tomēr augstāk nekā Plankam ~67. Tātad, lai gan vietējie mērījumi nedaudz atšķiras, tie parasti koncentrējas 70–74 km/s/Mpc diapazonā – vairāk nekā ~67 no Planka.

3. Agrās Visumas (KFS) metodes

3.1 ΛCDM modelis un KFS

Kosmiskā fona mikroviļu starojuma (KFS), mērīta ar WMAP vai Planck, saskaņā ar standarta ΛCDM kosmoloģisko modeli, ļauj noteikt akustisko virsotņu mērogu un citus parametrus. No KFS jaudas spektra pielāgošanas iegūtas Ωb h², Ωc h² un citas vērtības. Apvienojot ar plaknes pieņēmumu un BAO vai citiem datiem, tiek iegūts H0.

3.2 Plancka mērīšana

Planck sadarbības gala dati parasti rāda H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (atkarīgi no mērīšanas metodēm), kas ir apmēram 5–6σ zemāks par vietējo SHoES mērījumu. Šis atšļirījums, zināms kā Hubble spriedze, ir apmēram 5σ līdzī, kas liecina, ka tas, visticamāk, nav nejauša novirze.

3.3 Kāpēc šis neatbilstījums ir svarīgs

Ja standarta ΛCDM modelis ir pareizs un Plancka dati ir uzticami, tad vietējā kopējā metādē jābūtu nezināmai sistemātikai. Pretējā gadīnā, ja vietējie attālumi ir pareizi, varbūt agrākās Visumas modelis nav pilnīgs – jauna fizika var ietekmēt kosmisko paplašināšanos vai pastāvēt papildu relativistiskas daļiņas vai agrā tumšā enerīija, kas maina iegūtā H0.

4. Iespējamie neatbilstījuma iemesli

4.1 Sistemātiskas kļūdas kopējā metādē?

Ir aizdomas, vai Cepheīdu kalibrācijā vai supernovu fotometrijā nav palikusi neizlabota kļūda – piemēram, metalingvāla ietekme uz Cepheīdiem, lokāla plūduma korekcija vai atlases novirze. Tomēr vairāku grupu spēcīga savstarpēja saskaņa samazina lielas kļūdas iespējamību. TRGB metodes arī dod nedaudz augstāku H0, pat ja nedaudz zemāku par Cepheīdu, bet tomēr augstāku par Plancka rezultātu.

4.2 Neatrisinātas KFS vai ΛCDM sistemātikas problēmas?

Vēl viena iespēja – Plancka KFS interpretācijā saskaņā ar ΛCDM trūkst svarīgas saites, piemēram:

  • Paplašinātas neitriņu īpašības vai papildu relativistiskas daļiņas (Neff).
  • Agrā tumšā enerīija netālu no rekombinācijas.
  • Nekreivitāte vai laikā mainīga tumšā enerīija.

Planck nerāda skaidras pazīmes tam, bet dažos paplašinātos modeļos ir nelielas norādes. Līdz šim neviens risinājums pilnīgi neatceļ spriedzi bez papildu anomālijām vai palielinātas sarežģības.

4.3 Vai pastāv divi atšļirīgi Hubble konstantes lielumi?

Dažas uzstādījums ir tas, ka Visuma zema sarkanā daļā var attīstīties atšļirīgi no globālā vidējā, ja ir lielas lokālas struktūras vai nevienmērīgums (saukts par "Hubble bubble"). Tomēr mērīši no dažādām virzieniem, citiem kosmiskajiem mērogiem un kopējais viendabības princips liecina, ka nozīmīga lokāla tukšuma vai vide grūti izskaidrotu šo spriedzi.

5. Centieni risināt spriedzi

5.1 Neatkarīgas metodes

Pētnieki pārbauda alternatīvas vietējās kalibrācijas:

  • Maseri megamaseru galaktikās (piemēram, NGC 4258) kā supernovu attāluma enkurs.
  • Stiprā gravitācijas lēcu laika aizkavēšanās (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Virsmaskara spilgtuma svārstības eliptiskajās galaktikās.

Līdz šim šīs metodes parasti rāda H0 vērtības "augsto 60-to – zemo 70-to" diapazonā, ne vienmēr identiskas, bet parasti lielākas par 67. Tas nozīmē, ka nav viena neatkarīga metodes, kas pilnībā novērstu spriedzi.

5.2 Vairāk datu no DES, DESI, Euclid

BAO mērījumi dažādos sarkano nobīžu diapazonos ļauj atjaunot H(z) un pārbaudīt, vai no z = 1100 (KFS laikmets) līdz z = 0 ir novirzes no ΛCDM. Ja novērojumi rādīs sarkano nobīdi, kur lokāli iegūst lielāku H0, vienlaikus sakrītot ar Planka datiem pie lieliem z, tas varētu nozīmēt jaunu fiziku (piemēram, agrīno tumšo enerģiju). DESI mērķis ir ~1 % attāluma mērījumu precizitāte vairākos sarkano nobīžu diapazonos, kas var palīdzēt skaidrāk izprast kosmiskās paplašināšanās gaitu.

5.3 Nākamās paaudzes attālumu kāpnes

Vietējās komandas turpina pilnveidot paralakses kalibrēšanu, izmantojot Gaia datus, uzlabo Cepheīdu nulles punktu un pārskata supernovu fotometrijas sistemātiskās kļūdas. Ja spriedze saglabāsies ar mazākām kļūdām, iespēja jaunai fizikā ārpus ΛCDM modeļa palielinās. Ja spriedze pazudīs – tas apstiprinās ΛCDM stabilitāti.

6. Vērtība Kosmoloģijā

6.1 Ja Planks ir Pareizs (Zems H0)

Zems H0 ≈ 67 km/s/Mpc atbilst standartam ΛCDM no z = 1100 līdz šodienai. Tad vietējās kāpņu metodes būtu sistemātiski nepareizas vai mēs dzīvojam neparastā vietā. Šāds scenārijs norāda uz ~13,8 mlrd. gadu Visuma vecumu, un liela mēroga struktūru prognozes sakrīt ar galaktiku kopu datiem, BAO un lēcu novērojumiem.

6.2 Ja Vietējā Kāpņu Metode ir Pareiza (Liels H0)

Ja H0 ≈ 73 apstiprinātos gadījumos Planka modeļa \(\Lambda\)CDM skaidrojums nav pilnīgs. Var būt nepieciešams:

  • Papildu agrīnas tumšās enerģijas, kas īslaicīgi paātrināja paplašināšanos līdz rekombinācijai un tādējādi mainīja maksimumu leņķus, tāpēc Planka noteiktā H0 vērtība ir samazināta.
  • Vairāk relativistisku brīvības pakāpju vai jauna neitrīnu fizika.
  • Attālināšanās no pieņēmuma, ka Visums ir plakans un stingri aprakstāms tikai ar \(\Lambda\)CDM.

Šāda jauna fizika varētu atrisināt spriedzi, lai gan prasītu sarežģītāku modeli. To var pārbaudīt ar citiem datiem (KFS lēšanās, struktūru augšanas rādītāji, nukleosintēze).

6.3 Nākotnes perspektīvas

Spriedze veicina jaunu krustpārbaudes veikšanu. CMB-S4 vai augstākas paaudzes kosmiskā mikrobangojuma pētījumi var pārbaudīt, vai struktūru augšana atbilst lielam vai mazam H0. Ja spriedze saglabājas apmēram 5σ līmenī, tas būs spēcīgs signāls, ka standarta modeli jāpaplašina. Teorētiski atklājumi vai jaunas atrastas kļūdas galu galā varētu būt izšķirošas šī jautājuma risināšanā.

7. Secinājums

Hubble konstantes (H0) mērījums ir kosmoloģijas kodols, kas savieno vietējos paplašināšanās novērojumus ar agrīnā Visuma modeļiem. Pašreizējās metodes sniedz divas atšķirīgas vērtības:

  1. Vietējā attālumu kāpnes (izmantojot Cepheidus, TRGB, supernovas) parasti rāda H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. KFS balstīts ΛCDM, izmantojot Plancka datus, dod H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Šī „Hubble spriedze“, aptuveni 5σ nozīmības līmenī, norāda uz nezināmām sistemātiskām kļūdām kādā no metodēm vai jaunu fiziku ārpus standarta ΛCDM. Turpinās paralakses (Gaia), supernovu nulles punkta, lēšanās laika aizkavēšanās un augsta sarkana BAO uzlabojumi, kas pārbauda visas hipotēzes. Ja spriedze saglabāsies, tas var norādīt uz eksotiskiem risinājumiem (agrīno tumšo enerģiju, papildu neitrīniem utt.). Ja spriedze samazināsies, tiks apstiprināta ΛCDM noturība.

Jebkurš scenārijs būtiski ietekmē mūsu kosmisko vēsturi. Spriedze veicina jaunas novērojumu kampaņas (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) un progresīvus teorētiskos modeļus, uzsverot mūsdienu kosmoloģijas dinamiku – kad precīzi dati un ilgstošas neatbilstības ved mūs pie mēģinājuma apvienot agrīno un mūsdienu Visumu vienā visaptverošā attēlā.

Literatūra un Papildu Lasāmviela

  1. Riess, A. G., et al. (2016). „2,4% precizitāte lokālās Hubble konstantes noteikšanā.“ The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). „Planck 2018 rezultāti. VI. Kosmoloģiskie parametri.“ Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). „The Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. Neatkarīga Hubble konstantes noteikšana, balstoties uz sarkano milžu zaru virsotni.“ The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). „Spriedzes starp agrīno un vēlo Visumu.“ Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). „Hubble konstantes mednieku ceļvedis.“ Physics Today, 73, 38.
Atgriezties emuārā