Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Измерения, как определить постоянную Хаббла: Напряжение

Несовпадения между измерениями в локальной и ранней Вселенной, вызывающие новые космологические вопросы

Почему H0 важно

Постоянная Хаббла (H0) описывает текущую скорость расширения Вселенной, обычно выражаемую в километрах в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк). Точное значение H0 в космологии очень важно, потому что:

  1. Указывает возраст Вселенной, если экстраполировать расширение назад во времени.
  2. Калибрует шкалу расстояний для других космических измерений.
  3. Помогает разрешить двусмысленности космологических параметров (например, плотности материи, параметров тёмной энергии).

Традиционно астрономы измеряют H0 двумя разными способами:

  • Местный (лестничный) метод: начиная с параллакса для цефеид или TRGB (вершина красных гигантов), затем используются сверхновые типа I. Так получается прямое измерение скорости расширения в относительно близкой Вселенной.
  • Метод ранней Вселенной: H0 выводится из данных космического микроволнового фонового излучения (КФС) по выбранной космологической модели (ΛCDM) и барионных акустических колебаний (BAO) или других ограничений.

В последние годы эти два метода дают существенно разные значения H0: большее (~73–75 км/с/Мпк) по местному методу и меньшее (~67–68 км/с/Мпк) – по расчетам на основе КФС. Это несоответствие, называемое «напряжением Хаббла», указывает либо на новую физику за пределами стандартной ΛCDM, либо на ещё не решённые систематические ошибки в одном или обоих методах.

2. Местная лестница расстояний: по ступеням

2.1 Параллакс и калибровка

Основой местной лестницы расстояний является параллакс (тригонометрический) для близких светил (миссия Gaia, параллаксы HST для цефеид и др.). Параллакс задаёт абсолютный масштаб для таких стандартных свечей, как цефеиды, обладающие хорошо описанной связью периода и светимости.

2.2 Цефеиды и TRGB

  • Цефеиды: Основной этап калибровки далеких индикаторов, например, сверхновых типа I. Freedman и Madore, Riess и др. (команда SHoES) и другие улучшили местную калибровку цефеид.
  • Вершина красных гигантов (TRGB): Другой метод, использующий светимость красных гигантов при зажигании гелия (в металло-бедных популяциях). Команда Carnegie–Chicago (Freedman и др.) достигла точности около 1 % в некоторых местных галактиках, предоставляя альтернативу цефеидам.

2.3 Сверхновые типа I

Когда цефеиды (или TRGB) в галактиках становятся опорной точкой для определения светимости сверхновых, сверхновые можно наблюдать на расстояниях до сотен Мпк. Сравнивая измеренную яркость сверхновой с выведенной абсолютной яркостью, получают расстояние. Согласовывая красное смещение и расстояние, локально выводится H0.

2.4 Местные измерения

Riess и др. (SHoES) часто определяют H0 ≈ 73–74 км/с/Мпк (погрешность ~1,0–1,5%). Freedman и др. (TRGB) находят ~69–71 км/с/Мпк – немного меньше, чем у Riess, но всё же выше, чем у Планка (~67). Таким образом, хотя местные измерения немного различаются, они обычно сосредоточены в диапазоне 70–74 км/с/Мпк – больше, чем ~67 по Планку.

3. Метод ранней Вселенной (КФС)

3.1 Модель ΛCDM и КФС

Космическое микроволновое фоновое излучение (КФС), измеренное WMAP или Planck, согласно стандартной космологической модели ΛCDM, позволяет определить масштаб акустических пиков и другие параметры. Из подгонки спектра мощности КФС получают значения Ωb h², Ωc h² и другие. Совмещая их с предпосылкой плоскости и данными BAO или другими, выводится H0.

3.2 Измерение Planck

Финальные данные сотрудничества Planck обычно показывают H0 = 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк (в зависимости от средств измерения), что примерно на 5–6σ меньше, чем локальные измерения SHoES. Эта разница, известная как напряжение Хаббла, имеет уровень около 5σ, что указывает на то, что это вряд ли случайное отклонение.

3.3 Почему это несоответствие важно

Если стандартная модель ΛCDM верна и данные Planck надёжны, тогда в локальном методе лестницы должна скрываться неизвестная систематика. В противном случае, если локальные расстояния верны, возможно, модель ранней Вселенной неполна — новая физика могла бы повлиять на космическое расширение или существовать дополнительные релятивистские частицы или ранняя тёмная энергия, изменяющие выводимое H0.

4. Возможные причины несоответствия

4.1 Систематические ошибки метода лестницы?

Возникает подозрение, не осталось ли неучтённой ошибки в калибровке цефеид или фотометрии сверхновых — например, влияние металличности на цефеиды, локальная коррекция потока или смещение выборки. Тем не менее сильное взаимное согласие нескольких групп снижает вероятность большой ошибки. Методы TRGB также дают несколько более высокое значение H0, хоть и немного ниже, чем у цефеид, но всё равно выше результата Planck.

4.2 Нерешённые систематики КФС или ΛCDM?

Другая возможность — в интерпретации Planck КФС по ΛCDM отсутствует важное звено, например:

  • Расширенные свойства нейтрино или дополнительные релятивистские частицы (Neff).
  • Ранняя тёмная энергия около рекомбинации.
  • Кривизна или времяизменяющаяся тёмная энергия.

Planck не показывает явных признаков этого, но в некоторых расширенных моделях есть слабые намёки. Пока ни одно решение полностью не устраняет напряжение без дополнительных аномалий или повышенной сложности.

4.3 Существуют ли два разных значения постоянной Хаббла?

Некоторые предполагают, что в области низкого красного смещения расширение Вселенной может отличаться от глобального среднего, если существуют крупные локальные структуры или неоднородности (так называемый «пузырь Хаббла»). Однако измерения из разных направлений, на других космических масштабах и общий принцип однородности показывают, что значительная локальная пустота или окружение вряд ли объяснят это напряжение.

5. Усилия по Решению Напряжённости

5.1 Независимые Методы

Исследователи проверяют альтернативные локальные калибровки:

  • Мазеры в мегамазерных галактиках (например, NGC 4258) как якорь расстояний сверхновых.
  • Временные задержки сильного гравитационного линзирования (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Флуктуации поверхностной яркости в эллиптических галактиках.

До сих пор эти методы обычно показывают H0 значения в диапазоне «высоких 60-х – низких 70-х», не всегда идентичные, но чаще выше 67. Значит, нет одного независимого метода, полностью устраняющего напряжённость.

5.2 Больше Данных от DES, DESI, Euclid

BAO измерения на разных красных смещениях позволяют восстановить H(z) и проверить, проявляются ли отклонения от ΛCDM от z = 1100 (эпоха РСФ) до z = 0. Если наблюдения покажут красное смещение, при котором локально получается большее H0, совпадающее с Планком при большом z, это может означать новую физику (например, раннюю тёмную энергию). DESI стремится к точности измерения расстояний около ~1 % на нескольких красных смещениях, что поможет лучше понять ход космического расширения.

5.3 Следующее Поколение Лестниц Расстояний

Локальные команды продолжают улучшать калибровку параллаксов с помощью данных Gaia, уточняют нулевую точку цефеид и пересматривают систематические ошибки фотометрии сверхновых. Если напряжённость останется при меньших ошибках, вероятность новой физики за пределами модели ΛCDM возрастёт. Если напряжённость исчезнет — это подтвердит надёжность ΛCDM.

6. Значение для Космологии

6.1 Если Планк Прав (Малый H0)

Малый H0 ≈ 67 км/с/Мпк согласуется со стандартным ΛCDM от z = 1100 до настоящего времени. Тогда локальные методы лестницы систематически ошибочны, или мы живём в необычном месте. Такой сценарий указывает на возраст Вселенной около ~13,8 млрд лет, а прогнозы крупномасштабной структуры совпадают с данными по скоплениям галактик, BAO и гравитационному линзированию.

6.2 Если Локальная Лестница Верна (Большой H0)

Если H0 ≈ 73 подтвердились бы, тогда объяснение модели Планка \(\Lambda\)CDM неполное. Может потребоваться:

  • Дополнительная ранняя тёмная энергия, временно ускорявшая расширение до рекомбинации и тем самым изменяющая углы пиков, из-за чего значение H0, выведенное Планком, уменьшено.
  • Больше релятивистских степеней свободы или новая физика нейтрино.
  • Отход от предположения, что Вселенная плоская и строго описывается только \(\Lambda\)CDM.

Такая новая физика могла бы разрешить напряжённость, хотя потребовала бы более сложной модели. Это можно проверить другими данными (линзирование КФС, показатели роста структур, нуклеосинтез).

6.3 Перспективы будущего

Напряжённость стимулирует новые перекрёстные проверки. Исследования космического микроволнового фона CMB-S4 или более высокого поколения могут проверить, соответствует ли рост структур большому или малому H0. Если напряжённость сохранится на уровне ~5σ, это будет сильным намёком на необходимость расширения стандартной модели. Теоретические прорывы или недавно обнаруженные ошибки в конечном итоге могут решительно разрешить вопрос.

7. Заключение

Измерение постоянной Хаббла (H0) — это ядро космологии, связывающее локальные наблюдения расширения с моделями ранней Вселенной. Современные методы дают два разных значения:

  1. Локальная лестница расстояний (с использованием цефеид, TRGB, сверхновых) обычно показывает H0 ≈ 73 км/с/Мпк.
  2. ΛCDM на основе КФС, применённый к данным Планка, даёт H0 ≈ 67 км/с/Мпк.

Эта «напряжённость Хаббла», примерно на уровне значимости 5σ, указывает на неизвестные систематические ошибки в каком-то методе или новую физику за пределами стандартной модели ΛCDM. Продолжающиеся улучшения параллакса (Gaia), нулевой точки сверхновых, временных задержек гравитационного линзирования и BAO на высоком красном смещении проверяют все гипотезы. Если напряжённость сохранится, это может указывать на экзотические решения (ранняя тёмная энергия, дополнительные нейтрино и т.п.). Если напряжённость уменьшится, это подтвердит устойчивость ΛCDM.

Любой сценарий существенно влияет на нашу космическую историю. Напряжённость стимулирует новые наблюдательные кампании (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) и продвинутые теоретические модели, подчёркивая динамику современной космологии — когда точные данные и долгосрочные несоответствия ведут нас к попытке объединить раннюю и нынешнюю Вселенную в единую исчерпывающую картину.

Литература и дополнительное чтение

  1. Riess, A. G., et al. (2016). «Определение локального значения постоянной Хаббла с точностью 2,4%.» The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). «Результаты Planck 2018. VI. Космологические параметры.» Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). «Программа Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Независимое определение постоянной Хаббла на основе вершины красного гиганта.» The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). «Напряжённость между ранней и поздней Вселенной.» Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). «Руководство охотников за постоянной Хаббла.» Physics Today, 73, 38.
Вернуться в блог