Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Matavimai, hur man bestämmer Hubbles konstant: Spänning

Skillnader mellan lokala och tidiga universums mätningar som väcker nya kosmologiska frågor

Varför H0 viktig

Hubble-konstanten (H0) beskriver den nuvarande expansionshastigheten för universum, vanligtvis uttryckt i kilometer per sekund per megaparsek (km/s/Mpc). En exakt uppskattning av H0 är mycket viktig inom kosmologin eftersom:

  1. Anger universums ålder om vi extrapolerar expansionen bakåt i tiden.
  2. Kalibrerar avståndsskalan för andra kosmiska mätningar.
  3. Hjälper till att lösa tvetydigheter i kosmologiska parametrar (t.ex. materietäthet, mörk energiparametrar).

Astronomer mäter traditionellt H0 på två olika sätt:

  • Lokala (avståndssteg) metoden: Börjar med parallax till Cepheider eller TRGB (toppen av röda jättar), följt av typ I supernovor. Detta ger en direkt expansionshastighet i det relativt närliggande universum.
  • Tidiga universums metod: H0 härleds från kosmisk bakgrundsstrålning (KFS) data enligt en vald kosmologisk modell (ΛCDM) och baryoniska akustiska svängningar (BAO) eller andra begränsningar.

Under de senaste åren ger dessa två metoder signifikant skilda värden på H0: ett högre (~73–75 km/s/Mpc) från den lokala metoden och ett lägre (~67–68 km/s/Mpc) från KFS-baserade beräkningar. Denna diskrepans, kallad "Hubble-spänning", indikerar antingen ny fysik bortom den vanliga ΛCDM eller fortfarande olösta systematiska fel i en eller båda metoderna.

2. Lokal Avståndssteg: Stegvis Princip

2.1 Parallax och Kalibrering

Grunden för den lokala avståndsstegen är parallax (trigonometrisk) för närliggande ljuskällor (Gaia-uppdraget, HST-parallaxer för Cepheider med mera). Parallaxen bestämmer den absoluta skalan för sådana standardljuskällor som Cepheidvariabler, vilka har en väl beskriven relation mellan period och ljusstyrka.

2.2 Cepheider och TRGB

  • Cepheidvariabler: Ett grundläggande steg för att kalibrera avlägsna markörer, t.ex. typ I supernovor. Freedman och Madore, Riess med flera (SHoES-teamet) och andra har förbättrat den lokala kalibreringen av Cepheider.
  • Toppen av röda jättar (TRGB): En annan metod som utnyttjar ljusstyrkan hos röda jättestjärnor vid heliumantändning (i metallfattiga populationer). Carnegie–Chicago-teamet (Freedman med flera) har uppnått ~1 % noggrannhet i vissa lokala galaxer, vilket ger ett alternativ till Cepheider.

2.3 Typ I Supernovor

När Cepheider (eller TRGB) i galaxer blir ankare för att bestämma supernovors ljusstyrka kan supernovor observeras på avstånd upp till hundratals Mpc. Genom att jämföra den uppmätta ljusstyrkan hos supernovan med den härledda absoluta ljusstyrkan erhålls avståndet. Genom att kombinera rödförskjutningen och avståndet härleds lokalt H0.

2.4 Lokala Mätningar

Riess och medarbetare (SHoES) bestämmer ofta H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (felmarginal ~1,0–1,5%). Freedman och medarbetare (TRGB) finner ~69–71 km/s/Mpc – något lägre än Riess, men fortfarande högre än Plancks ~67. Så, även om lokala mätningar skiljer sig något, samlas de vanligtvis inom intervallet 70–74 km/s/Mpc – mer än Plancks ~67.

3. Tidiga universums (KFS) metod

3.1 ΛCDM-modellen och KFS

Kosmisk bakgrundsstrålning (KFS), mätt med WMAP eller Planck, enligt den standard ΛCDM-kosmologiska modellen, möjliggör bestämning av akustiska toppars skala och andra parametrar. Från anpassning av KFS effekt-spektrum erhålls Ωb h², Ωc h² och andra värden. Genom att kombinera med planhetsantagandet samt BAO eller andra data härleds H0.

3.2 Plancks mätning

Planck-samarbetets slutgiltiga data visar vanligtvis H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (beroende på antaganden), vilket är ~5–6σ lägre än lokala SHoES-mätningar. Denna skillnad, känd som Hubble-spänningen, är på ~5σ-nivå, vilket tyder på att det knappast är en slumpmässig avvikelse.

3.3 Varför denna diskrepans är viktig

Om den standard ΛCDM-modellen är korrekt och Plancks data är tillförlitliga, bör det finnas okända systematiska fel i den lokala stegmätningen. Annars, om de lokala avstånden är korrekta, kan det tidiga universums modell vara ofullständig – ny fysik kan påverka den kosmiska expansionen eller extra relativistiska partiklar eller tidig mörk energi kan finnas som ändrar det härledda H0.

4. Möjliga orsaker till diskrepansen

4.1 Systematiska fel i stegmätningen?

Det finns misstankar om att det kan finnas oupptäckta fel i kalibreringen av Cepheider eller supernovafotometri – t.ex. metallingång på Cepheider, lokal flödeskorrektion eller urvalsbias. Dock minskar stark överensstämmelse mellan flera grupper sannolikheten för ett stort fel. TRGB-metoder ger också något högre H0, även om något lägre än Cepheider, men fortfarande högre än Plancks resultat.

4.2 Olösta systematiska fel i KFS eller ΛCDM?

En annan möjlighet är att en viktig länk saknas i Plancks KFS-tolkning enligt ΛCDM, t.ex.:

  • Utökade neutrinegenskaper eller extra relativistiska partiklar (Neff).
  • Tidig mörk energi nära rekombinationen.
  • Krökning eller tidsvarierande mörk energi.

Planck visar inga tydliga tecken på detta, men vissa utökade modeller ger svaga antydningar. Hittills eliminerar ingen lösning helt spänningen utan ytterligare anomalier eller ökad komplexitet.

4.3 Finns det två olika värden på Hubble-konstanten?

Vissa föreslår att den låga röda universums expansion kan skilja sig från det globala genomsnittet om det finns stora lokala strukturer eller ojämlikheter (kallat "Hubble bubble"). Men mätningar från olika riktningar, andra kosmiska skalor och den allmänna homogenitetsprincipen visar att en betydande lokal tomhet eller miljö knappast skulle förklara denna spänning.

5. Ansträngningar för att Lösa Spänningen

5.1 Oberoende Metoder

Forskare undersöker alternativa lokala kalibreringar:

  • Maserer i megamasergalaxer (t.ex. NGC 4258) som en ankarpunkt för supernovaavstånd.
  • Starka gravitationslinsars tidsfördröjningar (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluktuationer i ytskärpa i elliptiska galaxer.

Hittills visar dessa metoder vanligtvis H0 värden i intervallet ”höga 60-tal – låga 70-tal”, inte alltid identiska men oftast högre än 67. Det finns alltså ingen enskild oberoende metod som helt löser spänningen.

5.2 Mer Data från DES, DESI, Euclid

BAO-mätningar vid olika rödförskjutningar gör det möjligt att rekonstruera H(z) och kontrollera om det finns avvikelser från ΛCDM från z = 1100 (CMB-epoken) till z = 0. Om observationer visar en rödförskjutning där ett högre lokalt H0 erhålls samtidigt som Planck stämmer vid höga z, kan det tyda på ny fysik (t.ex. tidig mörk energi). DESI siktar på ~1 % noggrannhet i avståndsmätningar vid flera rödförskjutningar, vilket kan hjälpa till att bättre förstå universums expansionshistoria.

5.3 Nästa Generations Avståndssteg

Lokala team fortsätter att förbättra parallaxkalibreringen med hjälp av Gaia-data, förbättrar Cepheiders nollpunkt och granskar systematiska fel i supernovafotometri. Om spänningen kvarstår med mindre fel ökar möjligheten för ny fysik bortom ΛCDM-modellen. Om spänningen försvinner bekräftar det ΛCDM:s robusthet.

6. Värdet för Kosmologi

6.1 Om Planck har Rätt (Lågt H0)

Lågt H0 ≈ 67 km/s/Mpc stämmer överens med standard ΛCDM från z = 1100 till nu. Då skulle lokala stegmätningar systematiskt vara felaktiga, eller så lever vi på en ovanlig plats. Ett sådant scenario indikerar en universums ålder på ~13,8 miljarder år, och storskaliga strukturprognoser överensstämmer med data från galaxhopar, BAO och gravitationslinsning.

6.2 Om den Lokala Stegen är Rätt (Högt H0)

Om H0 ≈ 73 skulle bekräftas, då är Plancks \(\Lambda\)CDM-modell ofullständig. Det kan krävas:

  • Ytterligare tidig mörk energi som tillfälligt påskyndar expansionen fram till rekombinationen och därigenom ändrar toppvinklarna, vilket gör att Plancks härledda värde på H0 är lägre.
  • Fler relativistiska frihetsgrader eller ny neutrinofysik.
  • Avvikelse från antagandet att universum är platt och strikt beskrivs endast av \(\Lambda\)CDM.

Sådan ny fysik skulle kunna lösa spänningen, även om det kräver en mer komplex modell. Detta kan testas med andra data (KFS-linsning, strukturens tillväxtindikatorer, nukleosyntes).

6.3 Framtidsutsikter

Spänningen driver nya korskontroller. CMB-S4 eller nästa generations kosmiska mikrovågsbakgrundsstudier kan testa om strukturernas tillväxt motsvarar ett högt eller lågt H0. Om spänningen kvarstår på ~5σ nivå blir det ett starkt tecken på att standardmodellen behöver utvidgas. Teoretiska genombrott eller nyligen upptäckta fel kan slutligen lösa frågan avgörande.

7. Slutsats

Mätningen av Hubble-konstanten (H0) är kosmologins kärna, som kopplar samman lokala expansionsobservationer med det tidiga universums modeller. Nuvarande metoder ger två olika värden:

  1. Den lokala avståndsstegen (med Cepheider, TRGB, supernovor) visar oftast H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM baserat på KFS, med Planck-data, ger H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Denna "Hubble-spänning", på ungefär 5σ signifikansnivå, indikerar okända systematiska fel i någon metod eller ny fysik bortom den vanliga ΛCDM. Fortsatta förbättringar av parallax (Gaia), supernovors nollpunkt, gravitationslinsningens tidsfördröjningar och högrödskifts-BAO testar alla hypoteser. Om spänningen kvarstår kan det peka på exotiska lösningar (tidig mörk energi, extra neutriner med mera). Om spänningen minskar bekräftar vi ΛCDM:s styrka.

Varje scenario påverkar tydligt vår kosmiska historia. Spänningen driver nya observationskampanjer (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) och avancerade teoretiska modeller, vilket betonar den moderna kosmologins dynamik – där precisa data och långvariga avvikelser leder oss till att försöka förena det tidiga och det nuvarande universum i en sammanhängande bild.

Litteratur och ytterligare läsning

  1. Riess, A. G., et al. (2016). "En 2,4 % bestämning av det lokala värdet på Hubble-konstanten." The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). "Planck 2018-resultat. VI. Kosmologiska parametrar." Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). "The Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. En oberoende bestämning av Hubble-konstanten baserad på toppen av den röda jättestjärnans gren." The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). "Spänningar mellan det tidiga och det sena universum." Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). "Hubble-konstantjaktens guide." Physics Today, 73, 38.
Återgå till bloggen