Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Metingen, hoe de Hubble-constante te bepalen: Spanning

Ongelijkheden tussen lokale en vroege heelalmetingen die nieuwe kosmologische vragen oproepen

Waarom H0 belangrijk

Hubble-constante (H0) beschrijft de huidige uitbreidingssnelheid van het heelal, meestal uitgedrukt in kilometers per seconde per megaparsec (km/s/Mpc). Een nauwkeurige schatting van H0 is zeer belangrijk in de kosmologie, omdat:

  1. Geeft de leeftijd van het heelal aan, als we de expansie terug in de tijd extrapoleren.
  2. Kalibreert de afstandsschaal voor andere kosmologische metingen.
  3. Helpt ambiguïteiten in kosmologische parameters (zoals materiedichtheid, donkere energieparameters) op te lossen.

Astronomen meten H0 traditioneel op twee verschillende manieren:

  • Lokale (afstandsladder) methode: Beginnend met parallax tot Cepheïden of TRGB (top van rode reuzen), gevolgd door Type I supernova's. Dit levert een directe expansiesnelheid op in het relatief nabije heelal.
  • Methode van het Vroegste Heelal: H0 wordt afgeleid uit kosmische achtergrondstraling (KFS) gegevens volgens een gekozen kosmologisch model (ΛCDM) en baryonische akoestische oscillaties (BAO) of andere beperkingen.

In de afgelopen jaren geven deze twee methoden significant verschillende waarden voor H0: een hogere (~73–75 km/s/Mpc) van de lokale methode en een lagere (~67–68 km/s/Mpc) van op KFS gebaseerde berekeningen. Deze discrepantie, de zogenaamde „Hubble-spanning“, wijst op nieuwe fysica buiten het standaard ΛCDM-model of nog niet opgeloste systematische fouten in een of beide methoden.

2. Lokale Afstandsladder: Trap voor Trap

2.1 Parallax en Kalibratie

De basis van de lokale afstandsladder is de parallax (trigonometrisch) voor nabije lichtbronnen (Gaia-missie, HST-parallaxen voor Cepheïden, enz.). Parallax bepaalt de absolute schaal voor standaardlichtbronnen zoals Cepheïden veranderlijke sterren, die een goed beschreven relatie tussen periode en helderheid hebben.

2.2 Cepheïden en TRGB

  • Cepheïden veranderlijke sterren: De belangrijkste stap bij het kalibreren van verre afstandsindicatoren, zoals Type I supernova's. Freedman en Madore, Riess et al. (SHoES team) en anderen hebben de lokale Cepheïdenkalibratie verbeterd.
  • Top van de Rode Reuzen (TRGB): Een andere methode die gebruikmaakt van de helderheid van rode reuzensterren bij het heliumontsteken (in metaalarme populaties). Het Carnegie–Chicago team (Freedman et al.) bereikte ~1% nauwkeurigheid in enkele lokale sterrenstelsels, wat een alternatief biedt voor Cepheïden.

2.3 Type I Supernova's

Wanneer Cepheïden (of TRGB) in sterrenstelsels het ankerpunt worden voor het bepalen van supernovahelderheden, kunnen supernova's tot honderden Mpc worden waargenomen. Door de gemeten helderheid van de supernova te vergelijken met de afgeleide absolute helderheid, wordt de afstand bepaald. Door de roodverschuiving en afstand te combineren, wordt lokaal H0 afgeleid.

2.4 Lokale Metingen

Riess et al. (SHoES) bepalen vaak H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (foutmarge ~1,0–1,5%). Freedman et al. (TRGB) vinden ~69–71 km/s/Mpc – iets lager dan Riess, maar nog steeds hoger dan Plancks ~67. Dus, hoewel lokale metingen enigszins verschillen, concentreren ze zich meestal in het bereik 70–74 km/s/Mpc – meer dan ~67 van Planck.

3. Methode van het vroege heelal (KFS)

3.1 ΛCDM-model en KFS

Kosmische achtergrondstraling (KFS), gemeten door WMAP of Planck, maakt het mogelijk om volgens het standaard ΛCDM-kosmologische model de schaal van akoestische pieken en andere parameters te bepalen. Uit de aanpassing van het KFS-vermogen spectrum worden Ωb h², Ωc h² en andere waarden verkregen. Door deze te combineren met het vlakheidsvooronderstelling en BAO of andere gegevens wordt H0 afgeleid.

3.2 Planck-meting

Planck-samenwerkings definitieve gegevens tonen doorgaans H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (afhankelijk van de middelen), ongeveer 5–6σ lager dan lokale SHoES-metingen. Dit verschil, bekend als de Hubble-spanning, is van ongeveer 5σ-niveau, wat aangeeft dat het waarschijnlijk geen toevallige afwijking is.

3.3 Waarom deze discrepantie belangrijk is

Als het standaard ΛCDM-model correct is en de Planck-gegevens betrouwbaar zijn, dan moet er een onbekende systematiek schuilen in de lokale afstandsladdermethode. Anders, als de lokale afstanden correct zijn, is het vroege heelalmodel mogelijk onvolledig – nieuwe fysica zou de kosmische expansie kunnen beïnvloeden of er kunnen extra relativistische deeltjes of vroege donkere energie bestaan die de afgeleide H0 veranderen.

4. Mogelijke oorzaken van de discrepantie

4.1 Systematische fouten in de afstandsladdermethode?

Er bestaat verdenking of er in de kalibratie van Cepheïden of in de fotometrie van supernova's een onopgeloste fout zit – bijvoorbeeld een metaalafhankelijk effect op Cepheïden, lokale stromingscorrectie of selectiebias. Toch vermindert de sterke onderlinge overeenstemming tussen meerdere groepen de kans op een grote fout. TRGB-methoden geven ook een iets hogere H0, zelfs als die iets lager is dan die van Cepheïden, maar nog steeds hoger dan het Planck-resultaat.

4.2 Onopgeloste systematiek in KFS of ΛCDM?

Een andere mogelijkheid is dat er in de interpretatie van Planck KFS binnen ΛCDM een belangrijke schakel ontbreekt, bijvoorbeeld:

  • Uitgebreide neutrino-eigenschappen of extra relativistische deeltjes (Neff).
  • Vroege donkere energie nabij recombinatie.
  • Niet-vlakheid of in de tijd variërende donkere energie.

Planck toont geen duidelijke tekenen hiervan, maar sommige uitgebreide modellen bevatten vage aanwijzingen. Tot nu toe elimineert geen enkele oplossing de spanning volledig zonder extra anomalieën of verhoogde complexiteit.

4.3 Bestaan er twee verschillende waarden van de Hubble-constante?

Sommigen suggereren dat de expansie van het heelal op lage rode verschuiving kan afwijken van het globale gemiddelde als er grote lokale structuren of inhomogeniteiten zijn (de zogenaamde "Hubble bubble"). Echter, metingen vanuit verschillende richtingen, op andere kosmische schalen en het algemene principe van homogeniteit tonen aan dat een significante lokale leegte of omgeving deze spanning nauwelijks kan verklaren.

5. Inspanningen om de Spanning op te Lossen

5.1 Onafhankelijke Methoden

Onderzoekers testen alternatieve lokale kalibraties:

  • Masers in megamaser-sterrenstelsels (bijv. NGC 4258) als anker voor supernova-afstanden.
  • Tijdvertragingen van sterk gravitatie-lensing (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluctuaties in oppervlaktelichtsterkte in elliptische sterrenstelsels.

Tot nu toe tonen deze methoden meestal H0 waarden in het bereik “hoge jaren 60 – lage jaren 70”, niet altijd identiek, maar meestal hoger dan 67. Dit betekent dat er geen enkele onafhankelijke methode is die de spanning volledig oplost.

5.2 Meer Gegevens van DES, DESI, Euclid

BAO-metingen bij verschillende roodverschuivingen maken het mogelijk H(z) te reconstrueren en te controleren of er afwijkingen van ΛCDM zijn van z = 1100 (CMB-tijdperk) tot z = 0. Als waarnemingen een roodverschuiving tonen waarbij lokaal een hogere H0 wordt gevonden, terwijl dit tegelijk overeenkomt met Planck bij hoge z, kan dit wijzen op nieuwe fysica (bijv. vroege donkere energie). DESI streeft naar ~1 % nauwkeurigheid in afstandsmetingen bij meerdere roodverschuivingen, wat kan helpen de kosmische expansie beter te begrijpen.

5.3 Volgende Generatie Afstandsladder

Lokale teams verbeteren de parallaxkalibratie verder met behulp van Gaia-gegevens, verfijnen het nulpunt van Cepheïden en herzien systematische fouten in supernovafotometrie. Als de spanning blijft bestaan met kleinere fouten, neemt de kans op nieuwe fysica buiten het ΛCDM-model toe. Als de spanning verdwijnt, bevestigt dat de robuustheid van ΛCDM.

6. Waarde voor de Kosmologie

6.1 Als Planck Correct is (Lage H0)

Lage H0 ≈ 67 km/s/Mpc komt overeen met de standaard ΛCDM van z = 1100 tot nu. Dan zouden lokale laddermethoden systematisch fout zijn, of leven we op een ongebruikelijke locatie. Dit scenario wijst op een leeftijd van het heelal van ~13,8 miljard jaar, en voorspellingen van grootschalige structuren komen overeen met gegevens over galactische clusters, BAO en lensing.

6.2 Als de Lokale Ladder Correct is (Hoge H0)

Als H0 ≈ 73 bevestigd, dan is de Planck-model \(\Lambda\)CDM verklaring onvolledig. Het kan nodig zijn:

  • Extra vroege donkere energie, die tijdelijk de expansie versnelt tot recombinatie en zo de piekhoeken verandert, waardoor de door Planck afgeleide waarde van H0 is verlaagd.
  • Meer relativistische vrijheidsgraden of nieuwe neutrinofysica.
  • Afstand nemen van de aanname dat het heelal vlak is en strikt wordt beschreven door \(\Lambda\)CDM.

Dergelijke nieuwe fysica zou de spanning kunnen oplossen, hoewel het een complexer model vereist. Dit kan worden getest met andere gegevens (KFS-lensing, structuurgroeisnelheden, nucleosynthese).

6.3 Toekomstperspectieven

De spanning stimuleert nieuwe kruiscontroles. Onderzoeken van CMB-S4 of hogere generatie kosmische lenzen kunnen testen of de structuurvorming overeenkomt met een hoge of lage H0. Als de spanning op ~5σ-niveau blijft, is dat een sterke aanwijzing dat het standaardmodel uitgebreid moet worden. Theoretische doorbraken of nieuw ontdekte fouten kunnen uiteindelijk de kwestie beslissend oplossen.

7. Conclusie

Metingen van de Hubble-constante (H0) vormen de kern van de kosmologie, waarbij lokale expansie observaties worden verbonden met vroege heelal modellen. Huidige methoden geven twee verschillende waarden:

  1. Lokale afstandsladder (met Cepheïden, TRGB, supernova's) toont meestal H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM gebaseerd op KFS, toegepast op Planck-gegevens, geeft H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Deze "Hubble-spanning", met een significantieniveau van ongeveer 5σ, wijst op onbekende systematische fouten in een van de methoden of nieuwe fysica buiten het standaard ΛCDM-model. Voortdurende verbeteringen in parallax (Gaia), nulpuntskalibratie van supernova's, lensing-tijdvertragingen en hoge roodverschuiving BAO testen alle hypothesen. Als de spanning aanhoudt, kan dit wijzen op exotische oplossingen (zoals vroege donkere energie, extra neutrino's, enz.). Als de spanning afneemt, bevestigen we de robuustheid van ΛCDM.

Elk scenario beïnvloedt duidelijk ons kosmisch verhaal. De spanning stimuleert nieuwe observatiecampagnes (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) en geavanceerde theoretische modellen, waarbij de dynamiek van de moderne kosmologie wordt benadrukt – waar nauwkeurige gegevens en langdurige discrepanties ons leiden tot een poging om het vroege en het hedendaagse heelal in één samenhangend beeld te verenigen.

Literatuur en Aanvullende Lectuur

  1. Riess, A. G., et al. (2016). "Een 2,4% bepaling van de lokale waarde van de Hubble-constante." The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). "Planck 2018 resultaten. VI. Kosmologische parameters." Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). "Het Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. Een onafhankelijke bepaling van de Hubble-constante gebaseerd op de top van de rode reuzen tak." The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). "Spanningen tussen het vroege en het late heelal." Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). "Gids voor jagers op de Hubble-constante." Physics Today, 73, 38.
Keer terug naar de blog