Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Wskazówki, jak określić stałą Hubble'a: Napięcie

Niezgodności między lokalnymi a wczesnymi pomiarami Wszechświata, rodzące nowe pytania kosmologiczne

Dlaczego H0 ważne

Stała Hubble'a (H0) opisuje obecne tempo rozszerzania się Wszechświata, najczęściej wyrażane w kilometrach na sekundę na megaparsek (km/s/Mpc). Dokładna wartość H0 w kosmologii jest bardzo ważna, ponieważ:

  1. Wskazuje wiek Wszechświata, jeśli ekstrapolujemy rozszerzanie się wstecz w czasie.
  2. Kalibruje skalę odległości dla innych pomiarów kosmicznych.
  3. Pomaga rozwiązać niejednoznaczności parametrów kosmologicznych (np. gęstości materii, parametrów ciemnej energii).

Tradycyjnie astronomowie mierzą H0 dwoma różnymi sposobami:

  • Lokalna metoda (drabina odległości): Zaczynając od paralaksy do cefeid lub TRGB (szczytów czerwonych olbrzymów), następnie wykorzystując supernowe typu I. Tak uzyskuje się bezpośrednią prędkość rozszerzania się w stosunkowo bliskim Wszechświecie.
  • Metoda wczesnego Wszechświata: Wyprowadza H0 z danych kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (KFS) według wybranego modelu kosmologicznego (ΛCDM) oraz baryonowych oscylacji akustycznych (BAO) lub innych ograniczeń.

W ostatnich latach te dwie metody dają znacząco różne wartości H0: wyższą (~73–75 km/s/Mpc) z metody lokalnej i niższą (~67–68 km/s/Mpc) z obliczeń opartych na KFS. Ta rozbieżność, zwana „napięciem Hubble'a”, wskazuje albo na nową fizykę poza standardowym modelem ΛCDM, albo na nierozwiązane systematyczne błędy w jednej lub obu metodach.

2. Lokalna Drabina Odległości: Zasada Stopni

2.1 Paralaksa i Kalibracja

Podstawą lokalnej drabiny odległości jest paralaksa (trygonometryczna) dla pobliskich obiektów (misja Gaia, paralaksy HST dla cefeid itp.). Paralaksa ustala skalę absolutną dla takich standardowych świec jak cefeidy zmienne, które mają dobrze opisaną zależność okresu od jasności.

2.2 Cefeidy i TRGB

  • Cefeidy zmienne: Podstawowy etap kalibracji odległych wskaźników, np. supernowych typu I. Freedman i Madore, Riess i in. (zespół SHoES) oraz inni udoskonalili lokalną kalibrację cefeid.
  • Szczyt czerwonych olbrzymów (TRGB): Inna metoda wykorzystująca jasność gwiazd czerwonych olbrzymów przy zapłonie helu (w populacjach ubogich w metale). Zespół Carnegie–Chicago (Freedman i in.) osiągnął ~1 % dokładności w niektórych lokalnych galaktykach, oferując alternatywę dla cefeid.

2.3 Supernowe typu I

Gdy cefeidy (lub TRGB) w galaktykach stają się punktem odniesienia do określania jasności supernowych, supernowe można obserwować do setek Mpc. Porównując zmierzoną jasność supernowej z wyliczoną jasnością absolutną, uzyskuje się odległość. Łącząc przesunięcie ku czerwieni i odległość, lokalnie wyprowadza się H0.

2.4 Lokalne Pomiary

Riess i in. (SHoES) często ustalają H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (błąd ~1,0–1,5%). Freedman i in. (TRGB) znajdują ~69–71 km/s/Mpc – nieco mniej niż Riess, ale wciąż powyżej Plancka ~67. Tak więc, choć lokalne pomiary nieco się różnią, zwykle mieszczą się w zakresie 70–74 km/s/Mpc – więcej niż ~67 z Plancka.

3. Metoda wczesnego Wszechświata (KFS)

3.1 Model ΛCDM i KFS

Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (KFS), mierzone przez WMAP lub Planck, według standardowego modelu ΛCDM pozwala określić skalę pików akustycznych i inne parametry. Z dopasowania widma mocy KFS uzyskuje się wartości Ωb h², Ωc h² i inne. Łącząc je z założeniem płaskości oraz danymi BAO lub innymi, wyprowadza się H0.

3.2 Pomiar Plancka

Wyniki końcowe współpracy Planck zwykle wskazują H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (w zależności od narzędzi), co jest o około 5–6σ niższe niż lokalne pomiary SHoES. Ta różnica, znana jako napięcie Hubble'a, ma poziom około 5σ, co sugeruje, że raczej nie jest przypadkowym odchyleniem.

3.3 Dlaczego ta rozbieżność jest ważna

Jeśli standardowy model ΛCDM jest poprawny, a dane Plancka wiarygodne, to w lokalnej metodzie drabiny odległości musi kryć się nieznana systematyka. W przeciwnym razie, jeśli lokalne odległości są poprawne, być może model wczesnego Wszechświata jest niepełny – nowa fizyka mogłaby wpływać na kosmiczne rozszerzanie lub istnieć dodatkowe relatywistyczne cząstki albo wczesna ciemna energia zmieniająca wyprowadzaną wartość H0.

4. Możliwe przyczyny rozbieżności

4.1 Systematyczne błędy w metodzie drabiny odległości?

Pojawia się podejrzenie, czy w kalibracji cefeidów lub fotometrii supernowych nie pozostał niepoprawiony błąd – np. wpływ metalości na cefeidy, lokalna korekcja przepływu lub błąd wyboru. Jednak silna zgodność między różnymi grupami zmniejsza prawdopodobieństwo dużego błędu. Metody TRGB również dają nieco wyższą wartość H0, choć nieco niższą niż cefeidy, ale wciąż wyższą niż wynik Plancka.

4.2 Nierozwiązane systematyki KFS lub ΛCDM?

Inna możliwość – w interpretacji KFS Plancka w ramach ΛCDM brakuje ważnego ogniwa, np.:

  • Rozszerzone właściwości neutrin lub dodatkowe relatywistyczne cząstki (Neff).
  • Wczesna ciemna energia blisko rekombinacji.
  • Krzywizna lub czasowo zmienna ciemna energia.

Planck nie wykazuje wyraźnych oznak tego, ale w niektórych rozszerzonych modelach pojawiają się słabe wskazówki. Jak dotąd żadna z propozycji nie eliminuje całkowicie napięcia bez dodatkowych anomalii lub zwiększonej złożoności.

4.3 Czy istnieją dwie różne wartości stałej Hubble'a?

Niektórzy sugerują, że w niskim czerwonym przesunięciu tempo rozszerzania się Wszechświata może różnić się od globalnej średniej, jeśli istnieją duże lokalne struktury lub niejednorodności (zwane „bańką Hubble'a”). Jednak pomiary z różnych kierunków, na różnych skalach kosmicznych oraz ogólna zasada jednorodności wskazują, że znacząca lokalna pustka lub środowisko raczej nie wyjaśniłyby tego napięcia.

5. Wysiłki na rzecz rozwiązania napięcia

5.1 Niezależne metody

Badacze sprawdzają alternatywne lokalne kalibracje:

  • Mazery w megamazerycznych galaktykach (np. NGC 4258) jako kotwica odległości supernowych.
  • Opóźnienia czasowe silnego soczewkowania grawitacyjnego (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluktuacje jasności powierzchniowej w galaktykach eliptycznych.

Do tej pory te metody zwykle pokazują H0 wartości w zakresie „wysokich 60-tych – niskich 70-tych”, nie zawsze identyczne, ale zazwyczaj większe niż 67. Oznacza to, że nie ma jednej niezależnej metody, która całkowicie rozwiązałaby napięcie.

5.2 Więcej danych z DES, DESI, Euclid

Pomiar BAO w różnych przesunięciach ku czerwieni pozwala odtworzyć H(z) i sprawdzić, czy od z = 1100 (epoka CMB) do z = 0 występują odchylenia od ΛCDM. Jeśli obserwacje pokażą przesunięcie ku czerwieni, gdzie lokalnie uzyskuje się większe H0, jednocześnie zgodne z Planckiem przy dużym z, może to oznaczać nową fizykę (np. wczesną ciemną energię). DESI dąży do ~1 % dokładności pomiaru odległości w wielu przesunięciach ku czerwieni, co może pomóc lepiej zrozumieć przebieg ekspansji kosmicznej.

5.3 Drabina Odległości Nowej Generacji

Lokalne zespoły nadal udoskonalają kalibrację paralaks, wykorzystując dane Gaia, poprawiają punkt zerowy Cepheidów i przeglądają systematyczne błędy fotometrii supernowych. Jeśli napięcie utrzyma się przy mniejszych błędach, rośnie możliwość nowej fizyki poza modelem ΛCDM. Jeśli napięcie zniknie – potwierdzi to solidność ΛCDM.

6. Znaczenie dla Kosmologii

6.1 Jeśli Planck ma rację (Małe H0)

Małe H0 ≈ 67 km/s/Mpc jest zgodne ze standardowym ΛCDM od z = 1100 do teraz. Wtedy lokalne metody drabiny byłyby systematycznie błędne lub żyjemy w nietypowej lokalizacji. Taki scenariusz wskazuje na wiek Wszechświata około ~13,8 mld lat, a prognozy dużej skali struktury zgadzają się z danymi o gromadach galaktyk, BAO i soczewkowaniu.

6.2 Jeśli Lokalna Drabina jest poprawna (Duże H0)

Jeśli H0 ≈ 73 byłoby potwierdzone, wtedy wyjaśnienie modelu Plancka \(\Lambda\)CDM jest niepełne. Może być potrzebne:

  • Dodatkowa wczesna ciemna energia, tymczasowo przyspieszająca ekspansję do rekombinacji i zmieniająca kąty szczytów, powodując, że wyprowadzona przez Plancka wartość H0 jest obniżona.
  • Więcej relatywistycznych stopni swobody lub nowa fizyka neutrin.
  • Odejście od założenia, że Wszechświat jest płaski i ściśle opisany tylko przez \(\Lambda\)CDM.

Taka nowa fizyka mogłaby rozwiązać napięcie, choć wymagałaby bardziej złożonego modelu. Można to sprawdzić innymi danymi (soczewkowaniem KFS, wskaźnikami wzrostu struktur, nukleosyntezą).

6.3 Perspektywy na przyszłość

Napięcie motywuje do nowych testów krzyżowych. Badania CMB-S4 lub kolejnych generacji kosmicznego mikrofalowego tła mogą sprawdzić, czy wzrost struktur odpowiada dużemu czy małemu H0. Jeśli napięcie utrzyma się na poziomie ~5σ, będzie to silna wskazówka, że standardowy model wymaga rozszerzenia. Przełomy teoretyczne lub nowo odkryte błędy ostatecznie mogą rozstrzygnąć tę kwestię.

7. Wnioski

Pomiary stałej Hubble'a (H0) to rdzeń kosmologii, łączący lokalne obserwacje ekspansji z modelami wczesnego Wszechświata. Obecne metody dają dwie różne wartości:

  1. Lokalna drabina odległości (używając cefeid, TRGB, supernowych) zazwyczaj wskazuje H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM oparty na KFS, stosując dane Plancka, daje H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

To „napięcie Hubble'a”, o poziomie istotności około 5σ, wskazuje na nieznane błędy systematyczne w którejś z metod lub nową fizykę poza standardowym modelem ΛCDM. Trwające ulepszenia paralaksy (Gaia), punktu zerowego supernowych, opóźnień czasowych soczewkowania oraz BAO przy wysokim przesunięciu ku czerwieni testują wszystkie hipotezy. Jeśli napięcie się utrzyma, może wskazywać na egzotyczne rozwiązania (wczesną ciemną energię, dodatkowe neutrina itp.). Jeśli napięcie zmaleje, potwierdzimy solidność ΛCDM.

Każdy scenariusz wyraźnie wpływa na naszą kosmiczną historię. Napięcie napędza nowe kampanie obserwacyjne (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) oraz zaawansowane modele teoretyczne, podkreślając dynamikę współczesnej kosmologii – gdy precyzyjne dane i długotrwałe rozbieżności prowadzą nas do próby połączenia wczesnego i obecnego Wszechświata w jeden spójny obraz.

Literatura i dodatkowa lektura

  1. Riess, A. G., et al. (2016). „Określenie lokalnej wartości stałej Hubble'a z dokładnością 2,4%.“ The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). „Wyniki Plancka 2018. VI. Parametry kosmologiczne.“ Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). „Program Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Niezależne określenie stałej Hubble'a na podstawie wierzchołka czerwonego olbrzyma.“ The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). „Napięcia między wczesnym a późnym Wszechświatem.“ Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). „Przewodnik łowców stałej Hubble'a.“ Physics Today, 73, 38.
Wróć na blog