Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Вимірювання, як визначити константу Хаббла: Напруга

Розбіжності між локальними та ранніми вимірюваннями Всесвіту, що породжують нові космологічні питання

Чому H0 важливо

Постійна Хаббла (H0) описує поточну швидкість розширення Всесвіту, зазвичай виражену в кілометрах на секунду на мегапарсек (км/с/Мпк). Точне значення H0 у космології є надзвичайно важливим, оскільки:

  1. Вказує на вік Всесвіту, якщо екстраполювати розширення назад у часі.
  2. Калібрує шкалу відстаней для інших космічних вимірювань.
  3. Допомагає розв’язати двозначності космологічних параметрів (наприклад, густини матерії, параметрів темної енергії).

Традиційно астрономи вимірюють H0 двома різними способами:

  • Місцевий (драбина відстаней) метод: Починаючи з паралакса до цефеїд або TRGB (вершина червоних гігантів), пізніше використовують наднові типу I. Так отримують прямий темп розширення у відносно близькому Всесвіті.
  • Метод ранньої Всесвіту: Виводить H0 з даних космічного мікрохвильового фону (КФС) за обраною космологічною моделлю (ΛCDM) та баріонних акустичних коливань (BAO) чи інших обмежень.

Останніми роками ці два методи дають суттєво різні значення H0: вищі (~73–75 км/с/Мпк) за місцевим методом і нижчі (~67–68 км/с/Мпк) – за розрахунками на основі КФС. Ця невідповідність, названа «напругою Хабла», вказує або на нову фізику поза стандартною ΛCDM, або на ще не вирішені систематичні похибки в одному чи обох методах.

2. Місцева Драбина Відстаней: Принцип Кроків

2.1 Паралакс і Калібрування

Основою місцевої драбини відстаней є паралакс (тригонометричний) для близьких світил (місія Gaia, паралакси HST для цефеїд тощо). Паралакс визначає абсолютний масштаб для таких стандартних світил, як цефеїдні змінні зірки, які мають добре описаний зв’язок періоду і яскравості.

2.2 Цефеїди і TRGB

  • Цефеїдні змінні зірки: Основний етап калібрування далеких маркерів, наприклад, наднових типу I. Freedman і Madore, Riess і інші (команда SHoES) та інші покращили місцеву калібрування цефеїд.
  • Вершина червоних гігантів (TRGB): Інший метод, що використовує яскравість зірок червоних гігантів на момент загоряння гелію (у металодефіцитних популяціях). Команда Carnegie–Chicago (Freedman і інші) досягла ~1 % точності в деяких місцевих галактиках, надаючи альтернативу цефеїдам.

2.3 Наднові типу I

Коли цефеїди (або TRGB) у галактиках стають опорними точками для визначення яскравості наднових, наднові можна спостерігати на відстані до сотень Мпк. Порівнюючи виміряну яскравість наднової з виведеною абсолютною яскравістю, отримують відстань. Узгоджуючи зсув (червоний) і відстань, локально виводять H0.

2.4 Місцеві Вимірювання

Riess і інші (SHoES) часто визначають H0 ≈ 73–74 км/с/Мпк (похибка ~1,0–1,5%). Freedman і інші (TRGB) знаходять ~69–71 км/с/Мпк – трохи менше, ніж у Riess, але все ж вище за Планка ~67. Тож, хоча місцеві вимірювання дещо відрізняються, вони зазвичай зосереджуються в діапазоні 70–74 км/с/Мпк – більше, ніж ~67 за Планком.

3. Метод раннього Всесвіту (КФС)

3.1 Модель ΛCDM і КФС

Космічне мікрохвильове фонове випромінювання (КФС), виміряне WMAP або Planck, за стандартною космологічною моделлю ΛCDM дозволяє визначити масштаб акустичних піків та інші параметри. З підгонки спектра потужності КФС отримують Ωb h², Ωc h² та інші значення. Поєднуючи їх з припущенням плоскості та даними BAO чи іншими, виводять H0.

3.2 Вимірювання Planck

Planck співпраця у фінальних даних зазвичай показує H0 = 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк (залежно від засобів), приблизно на 5–6σ менше за місцеві вимірювання SHoES. Ця різниця, відома як напруга Габбла, становить близько 5σ, що свідчить про те, що це навряд чи випадкове відхилення.

3.3 Чому це невідповідність важлива

Якщо стандартна модель ΛCDM правильна і дані Planck надійні, тоді у місцевому методі сходів має бути прихована невідома систематика. Інакше, якщо місцеві відстані правильні, можливо, модель раннього Всесвіту неповна – нова фізика могла б вплинути на космічне розширення або існувати додаткові релятивістські частинки чи рання темна енергія, що змінюють виведене H0.

4. Можливі причини невідповідності

4.1 Систематичні помилки методу сходів?

Підозра виникає, чи не залишилася невиправлена помилка у калібруванні цефеїд або фотометрії наднових – наприклад, вплив металічності на цефеїди, локальна корекція потоку або упередженість вибірки. Проте сильна взаємна згода кількох груп знижує ймовірність великої помилки. Методи TRGB також дають дещо вищий H0, хоч і трохи нижчий за цефеїдний, але все одно вищий за результат Planck.

4.2 Нерозв'язані систематики КФС чи ΛCDM?

Інша можливість – у інтерпретації Planck КФС за ΛCDM бракує важливого ланцюга, наприклад:

  • Розширені властивості нейтрино або додаткові релятивістські частинки (Neff).
  • Рання темна енергія поблизу рекомбінації.
  • Викривленість або темна енергія, що змінюється з часом.

Planck не показує чітких ознак цього, але в деяких розширених моделях є слабкі натяки. Поки жодне рішення повністю не усуває напругу без додаткових аномалій або підвищеної складності.

4.3 Чи існують два різні значення сталої Габбла?

Деякі припускають, що у низькому червоному зсуві розширення Всесвіту може відрізнятися від глобального середнього, якщо існують великі локальні структури або неоднорідності (так званий «Hubble bubble»). Однак вимірювання з різних напрямків, на інших космічних масштабах та загальний принцип однорідності свідчать, що значуща локальна порожнеча чи середовище навряд чи пояснили б цю напругу.

5. Зусилля для Вирішення Напруги

5.1 Незалежні Методи

Дослідники перевіряють альтернативні локальні калібрування:

  • Мазери в мегамазерних галактиках (наприклад, NGC 4258) як якір відстаней наднових.
  • Затримки часу сильного гравітаційного лінзування (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Флуктуації поверхневої яскравості в еліптичних галактиках.

До цього часу ці методи зазвичай показують H0 значення в діапазоні «високих 60-х – низьких 70-х», не завжди ідентичні, але зазвичай більші за 67. Отже, немає одного незалежного методу, який повністю розв’язав би напругу.

5.2 Більше Даних від DES, DESI, Euclid

BAO вимірювання на різних червоних зсувів дозволяють відновити H(z) і перевірити, чи є відхилення від ΛCDM від z = 1100 (епоха КФС) до z = 0. Якщо спостереження покажуть червоний зсув, де локально отримують більший H0, одночасно збігаючись з Планком при великому z, це може означати нову фізику (наприклад, ранню темну енергію). DESI прагне ~1 % точності вимірювання відстаней у кількох червоних зсувів, що допоможе краще зрозуміти хід космічного розширення.

5.3 Наступне Покоління Драбини Відстаней

Локальні команди продовжують удосконалювати калібрування паралаксів за допомогою даних Gaia, покращують нульову точку цефеїд і переглядають систематичні помилки фотометрії наднових. Якщо напруга залишиться при менших похибках, можливість нової фізики поза моделлю ΛCDM зростає. Якщо напруга зникне – це підтвердить міцність ΛCDM.

6. Значення для Космології

6.1 Якщо Планк Правий (Малий H0)

Малий H0 ≈ 67 км/с/Мпк узгоджується зі стандартним ΛCDM від z = 1100 до сьогодні. Тоді локальні методи драбини систематично помилкові, або ми живемо в незвичайному місці. Такий сценарій вказує на ~13,8 млрд років віку Всесвіту, а прогнози великомасштабної структури збігаються з даними скупчень галактик, BAO та гравітаційного лінзування.

6.2 Якщо Локальна Драбина Правильна (Великий H0)

Якщо H0 ≈ 73 підтверджених, тоді пояснення моделі Планка \(\Lambda\)CDM неповне. Можливо, знадобиться:

  • Додаткова рання темна енергія, тимчасово прискорюючи розширення до рекомбінації і таким чином змінюючи кути піків, через що значення H0, виведене Планком, зменшене.
  • Більше релятивістських ступенів свободи або нова фізика нейтрино.
  • Відхід від припущення, що Всесвіт плоский і строго описується лише \(\Lambda\)CDM.

Нова фізика могла б розв’язати напругу, хоча й вимагала б складнішої моделі. Це можна перевірити іншими даними (лінзування КФС, показники зростання структур, нуклеосинтез).

6.3 Перспективи майбутнього

Напруга стимулює нові перехресні перевірки. Дослідження космічного мікрохвильового фону CMB-S4 або вищого покоління можуть перевірити, чи відповідає зростання структур великому чи малому H0. Якщо напруга залишиться на рівні ~5σ, це буде сильною підказкою, що стандартну модель потрібно розширити. Теоретичні прориви або нововиявлені помилки зрештою можуть остаточно розв’язати це питання.

7. Висновок

Вимірювання сталої Габбла (H0) – це серце космології, що поєднує локальні спостереження розширення з моделями раннього Всесвіту. Поточні методи дають дві різні величини:

  1. Локальна драбина відстаней (з використанням цефеїд, TRGB, наднових) зазвичай показує H0 ≈ 73 км/с/Мпк.
  2. ΛCDM на основі КФС з використанням даних Планка дає H0 ≈ 67 км/с/Мпк.

Ця „напруга Габбла“, приблизно на рівні значущості 5σ, вказує на невідомі систематичні помилки в якомусь методі або нову фізику поза звичайною моделлю ΛCDM. Продовжуються вдосконалення паралакса (Gaia), нульової точки наднових, затримок часу лінзування та BAO на високому червоному зсуві, що перевіряють усі гіпотези. Якщо напруга збережеться, це може свідчити про екзотичні рішення (ранню темну енергію, додаткові нейтрино тощо). Якщо напруга зменшиться, ми підтвердимо міцність ΛCDM.

Будь-який сценарій суттєво впливає на нашу космічну історію. Напруження стимулює нові спостережні кампанії (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) та передові теоретичні моделі, підкреслюючи динаміку сучасної космології – коли точні дані та тривалі невідповідності ведуть нас до спроби об’єднати ранній і сучасний Всесвіт в єдину всебічну картину.

Література та додаткове читання

  1. Riess, A. G., et al. (2016). „Визначення локального значення сталої Габбла з точністю 2,4%.“ The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). „Результати Planck 2018. VI. Космологічні параметри.“ Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). „Програма Карнегі-Чикаго Габбла. VIII. Незалежне визначення сталої Габбла на основі вершини червоного гіганта.“ The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). „Напруження між раннім і пізнім Всесвітом.“ Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). „Посібник мисливця за сталою Габбла.“ Physics Today, 73, 38.
Повернутися до блогу