Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Matavimai, hvordan bestemme Hubbles konstant: Spenning

Uoverensstemmelser mellom lokale og tidlige universmålinger som reiser nye kosmologiske spørsmål

Hvorfor H0 viktig

Hubble-konstanten (H0) beskriver den nåværende ekspansjonshastigheten til universet, vanligvis uttrykt i kilometer per sekund per megaparsek (km/s/Mpc). En nøyaktig verdi for H0 er svært viktig i kosmologi fordi:

  1. Angir universets alder hvis vi ekstrapolerer ekspansjonen bakover i tid.
  2. Kalibrerer avstandsskalaen for andre kosmiske målinger.
  3. Hjelper med å løse tvetydigheter i kosmologiske parametere (f.eks. materietetthet, mørk energi-parametere).

Tradisjonelt måler astronomer H0 på to forskjellige måter:

  • Lokal (avstandstrapp) metode: Starter med parallakse til Cepheider eller TRGB (rødries topp), deretter brukes type I supernovaer. Dette gir en direkte måling av ekspansjonshastigheten i det relativt nære universet.
  • Tidlig univers-metoden: H0 utledes fra kosmisk mikrobølgebakgrunnsdata (KFS) basert på en valgt kosmologisk modell (ΛCDM) og baryoniske akustiske oscillasjoner (BAO) eller andre begrensninger.

I de siste årene gir disse to metodene betydelig forskjellige verdier for H0: høyere (~73–75 km/s/Mpc) fra den lokale metoden og lavere (~67–68 km/s/Mpc) fra KFS-baserte beregninger. Denne uoverensstemmelsen, kalt «Hubble-spenning», antyder enten ny fysikk utover standard ΛCDM eller fortsatt uløste systematiske feil i en eller begge metodene.

2. Lokal Avstandstrapp: Trinnvis Prinsipp

2.1 Parallakse og Kalibrering

Grunnlaget for den lokale avstandstrappen er parallakse (trigonometrisk) for nærliggende lysobjekter (Gaia-oppdraget, HST-parallakser for Cepheider osv.). Parallaksen fastsetter den absolutte skalaen for slike standardlys som Cepheide variable stjerner, som har en veldefinert periode-lysstyrke-relasjon.

2.2 Cepheider og TRGB

  • Cepheide variable stjerner: Hovedtrinnet for kalibrering av fjerne markører, som type I supernovaer. Freedman og Madore, Riess et al. (SHoES-teamet) og andre har forbedret lokal Cepheidekalibrering.
  • Rødries topp (TRGB): En annen metode som utnytter lysstyrken til rødriesstjerner ved heliumflammen (i metallfattige populasjoner). Carnegie–Chicago-teamet (Freedman et al.) oppnådde ~1 % nøyaktighet i noen lokale galakser, og tilbyr et alternativ til Cepheider.

2.3 Type I Supernovaer

Når Cepheider (eller TRGB) i galakser blir ankerpunkt for å bestemme supernovaers lysstyrke, kan supernovaer observeres opp til hundrevis av Mpc avstand. Ved å sammenligne den målte lysstyrken til supernovaen med den utledede absolutte lysstyrken, får man avstanden. Ved å kombinere rødforskyvning og avstand, utledes lokalt H0.

2.4 Lokale Målinger

Riess et al. (SHoES) fastsetter ofte H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (usikkerhet ~1,0–1,5%). Freedman et al. (TRGB) finner ~69–71 km/s/Mpc – litt lavere enn Riess, men fortsatt høyere enn Plancks ~67. Så, selv om lokale målinger varierer noe, samler de seg vanligvis i området 70–74 km/s/Mpc – mer enn ~67 fra Planck.

3. Tidlig univers (CMB)-metoden

3.1 ΛCDM-modellen og CMB

Den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen (CMB), målt av WMAP eller Planck, under den standard ΛCDM kosmologiske modellen, gjør det mulig å bestemme skalaen til akustiske topper og andre parametere. Fra CMB-effektspekterets tilpasning utledes Ωb h², Ωc h² og andre verdier. Kombinert med flathetsantakelsen og BAO eller andre data, utledes H0.

3.2 Plancks måling

Planck-samarbeidets endelige data viser vanligvis H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (avhengig av metoder), ~5–6σ lavere enn lokale SHoES-målinger. Denne forskjellen, kjent som Hubble-spenningen, er på ~5σ-nivå, noe som indikerer at det sannsynligvis ikke er en tilfeldig avvik.

3.3 Hvorfor denne uoverensstemmelsen er viktig

Hvis den standard ΛCDM-modellen er korrekt og Plancks data er pålitelige, må det ligge en ukjent systematikk i den lokale stige-metoden. Alternativt, hvis lokale avstander er riktige, kan det tidlige universets modell være ufullstendig – ny fysikk kan påvirke kosmisk ekspansjon eller det kan eksistere ekstra relativistiske partikler eller tidlig mørk energi som endrer den utledede H0.

4. Mulige årsaker til uoverensstemmelse

4.1 Systematiske feil i stige-metoden?

Det er mistanke om at det kan være en uoppdaget feil i kalibreringen av Cepheider eller supernova-fotometri – for eksempel metallisitetsinnflytelse på Cepheider, lokal strøm-korreksjon eller utvalgsbias. Likevel reduserer sterk enighet mellom flere grupper sannsynligheten for en stor feil. TRGB-metoder gir også en noe høyere H0, selv om den er litt lavere enn Cepheider, men fortsatt høyere enn Plancks resultat.

4.2 Uløste systematiske feil i CMB eller ΛCDM?

En annen mulighet – Plancks CMB-tolkning under ΛCDM mangler en viktig komponent, for eksempel:

  • Utvidede nøytrinoegenskaper eller ekstra relativistiske partikler (Neff).
  • Tidlig mørk energi nær rekombinasjon.
  • Ikke-flathet eller tidsvarierende mørk energi.

Planck viser ingen klare tegn på dette, men noen utvidede modeller har svake hint. Så langt eliminerer ingen løsning spenningen fullstendig uten ekstra anomalier eller økt kompleksitet.

4.3 Finnes det to forskjellige verdier for Hubble-konstanten?

Noen antyder at universets ekspansjon i det lave røde området kan avvike fra det globale gjennomsnittet hvis det finnes store lokale strukturer eller ujevnheter (kalt "Hubble bubble"). Men målinger fra ulike retninger, andre kosmiske skalaer og det generelle prinsippet om homogenitet viser at en betydelig lokal tomrom eller miljø knapt kan forklare denne spenningen.

5. Innsats for å Løse Spenningen

5.1 Uavhengige Metoder

Forskere undersøker alternative lokale kalibreringer:

  • Maserer i megamaser-galakser (f.eks. NGC 4258) som anker for supernovaavstander.
  • Sterk gravitasjonslinseeffekt tidsforsinkelser (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluktuasjoner i overflatelysstyrke i elliptiske galakser.

Til nå viser disse metodene vanligvis H0 verdier i området «høye 60-tall – lave 70-tall», ikke alltid identiske, men som oftest høyere enn 67. Det finnes altså ingen enkelt uavhengig metode som fullstendig løser spenningen.

5.2 Flere Data fra DES, DESI, Euclid

BAO-målinger ved ulike rødforskyvninger gjør det mulig å rekonstruere H(z) og teste for avvik fra ΛCDM fra z = 1100 (CMB-epoken) til z = 0. Hvis observasjoner viser en rødforskyvning der lokal H0 er høyere, samtidig som Planck stemmer ved høye z, kan det tyde på ny fysikk (f.eks. tidlig mørk energi). DESI sikter mot ~1 % nøyaktighet i avstandsmålinger ved flere rødforskyvninger, noe som kan hjelpe til med å forstå universets ekspansjon bedre.

5.3 Neste Generasjons Avstandstrapp

Lokale team forbedrer fortsatt parallaksekalibreringen ved hjelp av Gaia-data, forbedrer nullpunktet for Cepheider og reviderer systematiske feil i supernova-fotometri. Hvis spenningen vedvarer med mindre usikkerhet, øker muligheten for ny fysikk utover ΛCDM-modellen. Hvis spenningen forsvinner, bekrefter det ΛCDMs soliditet.

6. Verdi for Kosmologi

6.1 Hvis Planck har Rett (Lav H0)

Lav H0 ≈ 67 km/s/Mpc stemmer overens med standard ΛCDM fra z = 1100 til nå. Da ville lokale trappemetoder systematisk være feil, eller vi lever på et uvanlig sted. Et slikt scenario indikerer en universalder på ~13,8 milliarder år, og storskala strukturprognoser samsvarer med data fra galaksehoper, BAO og gravitasjonslinser.

6.2 Hvis Lokal Trapp er Riktig (Høy H0)

Hvis H0 ≈ 73 ville bekreftes, da er Planck-modellens \(\Lambda\)CDM-forklaring ufullstendig. Det kan være behov for:

  • Ekstra tidlig mørk energi, som midlertidig akselererte ekspansjonen fram til rekombinasjon og dermed endret toppvinklene, noe som reduserer Plancks utledede verdi for H0.
  • Flere relativistiske frihetsgrader eller ny nøytrino-fysikk.
  • Avvik fra antakelsen om at universet er flatt og strengt beskrevet kun av \(\Lambda\)CDM.

Slik ny fysikk kunne løse spenningen, selv om det krever en mer kompleks modell. Dette kan testes med andre data (CMB-lensing, strukturvekstindikatorer, nukleosyntese).

6.3 Fremtidige utsikter

Spenningen oppmuntrer til nye krysskontroller. CMB-S4 eller neste generasjons kosmisk skjæringsstudier kan teste om strukturveksten samsvarer med høy eller lav H0. Hvis spenningen vedvarer på ~5σ nivå, vil det være et sterkt hint om at standardmodellen må utvides. Teoretiske gjennombrudd eller nylig oppdagede feil kan til slutt løse spørsmålet avgjørende.

7. Konklusjon

Måling av Hubble-konstanten (H0) er kosmologiens kjerne, som kobler lokale ekspansjonsobservasjoner med tidlige univers-modeller. Nåværende metoder gir to forskjellige verdier:

  1. Lokal avstandsstige (ved bruk av Cepheider, TRGB, supernovaer) viser vanligvis H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM basert på CMB, med Planck-data, gir H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Denne "Hubble-spenningen", på omtrent 5σ signifikansnivå, indikerer ukjente systematiske feil i en av metodene eller ny fysikk utenfor den vanlige ΛCDM. Pågående forbedringer i parallakse (Gaia), supernova nullpunkt, linsetidsforsinkelser og høyrødforskyvnings BAO tester alle hypotesene. Hvis spenningen vedvarer, kan det peke på eksotiske løsninger (tidlig mørk energi, ekstra nøytrinoer osv.). Hvis spenningen avtar, bekrefter vi ΛCDMs robusthet.

Enhver scenario påvirker tydelig vår kosmiske historie. Spenningen driver nye observasjonskampanjer (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) og avanserte teoretiske modeller, og understreker dynamikken i moderne kosmologi – der presise data og langvarige uoverensstemmelser leder oss til å forsøke å forene det tidlige og nåværende universet til et helhetlig bilde.

Litteratur og tilleggslesning

  1. Riess, A. G., et al. (2016). "En 2,4 % bestemmelse av den lokale verdien av Hubble-konstanten." The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). "Planck 2018 resultater. VI. Kosmologiske parametere." Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). "The Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. En uavhengig bestemmelse av Hubble-konstanten basert på toppen av den røde kjeglestjernen." The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). "Spenningsforhold mellom det tidlige og det sene universet." Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). "Hubble-konstantjegerens guide." Physics Today, 73, 38.
Gå tilbake til bloggen