Measuring the Hubble Constant: The Tension

Ngukur Konstanta Hubble: Ketegangan

Bedane ing ukuran lokal vs. awal-universum nyebabake pitakon kosmologis anyar

PentingĂŠ H0

Konstanta Hubble (H0) nemtokake tingkat ekspansi saiki saka alam semesta, biasane diungkapake ing unit kilometer per detik per megaparsec (km/s/Mpc). Nilai H0 sing tepat penting banget ing kosmologi amarga:

  1. Iki nemtokake umur alam semesta nalika diekstrapolasi bali saka ekspansi.
  2. Iki ngkalibrasi skala jarak kanggo pengukuran kosmik liyane.
  3. Iki mbantu mecah degenerasi ing pas fit parameter kosmologis (contone, kerapatan materi, parameter energi peteng).

Biasane, astronom ngukur H0 liwat loro strategi sing beda:

  • Pendekatan lokal (tangga jarak): Mbangun saka paralaksis menyang Cepheids utawa TRGB (Tip saka Red Giant Branch), banjur nggunakake supernova Tipe Ia, ngasilake tingkat ekspansi langsung ing alam semesta sing relatif cedhak.
  • Pendekatan awal-universum: Ngramal H0 saka data cosmic microwave background (CMB) miturut model kosmologis sing dipilih (ΛCDM), plus osilasi akustik baryon utawa watesan liyane.

Ing taun-taun pungkasan, loro pendekatan iki ngasilake nilai H0 sing beda banget: ukuran lokal sing luwih dhuwur (~73–75 km/s/Mpc) vs. ukuran adhedhasar CMB sing luwih murah (~67–68 km/s/Mpc). Discrepancy iki—disebut “ketegangan Hubble”—nuduhake fisika anyar saliyane ΛCDM standar utawa sistematik sing durung rampung ing salah siji utawa loro metode pengukuran.

2. Tangga Jarak Lokal: Pendekatan Langkah demi Langkah

2.1 Paralaksis lan Kalibrasi

Dasar tangga jarak lokal yaiku paralaksis (trigonometri) kanggo lintang sing relatif cedhak (misi Gaia, paralaksis HST kanggo Cepheids, lsp.). Paralaksis nemtokake skala absolut kanggo lilin standar kaya variabel Cepheid, sing nduweni hubungan periode–luminositas sing wis karakterisasi apik.

2.2 Cepheids lan TRGB

  • Variabel Cepheid: Tangga kunci kanggo ngkalibrasi penanda sing luwih adoh kaya supernova Tipe Ia. Freedman lan Madore, Riess et al. (tim SHoES), lan liyane nyempurnakake kalibrasi Cepheid lokal.
  • Tip saka Red Giant Branch (TRGB): Teknik liyane nggunakake luminositas raksasa abang nalika wiwitan helium flash ing populasi sing kurang logam. Tim Carnegie–Chicago (Freedman et al.) ngukur presisi ~1% ing sawetara galaksi lokal, nyedhiyakake alternatif kanggo Cepheids.

2.3 Supernova Tipe Ia

Sawise Cepheids (utawa TRGB) ing galaksi tuan rumah ngiket luminositas supernova, siji bisa ngukur supernova nganti atusan Mpc. Kanthi mbandhingake padhang supernova sing katon karo luminositas absolut sing diturunake, kita entuk jarak. Nggambarake kecepatan resesi (saka redshift) vs. jarak ngasilake H0 sacara lokal.

2.4 Pangukuran Lokal

Riess et al. (SHoES) biasane nemokake H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (kanthi ketidakpastian ~1.0–1.5%). Freedman et al. (TRGB) nemokake nilai ~69–71 km/s/Mpc, rada luwih murah tinimbang Riess nanging isih luwih dhuwur tinimbang ~67 adhedhasar Planck. Dadi, sanajan pangukuran lokal beda-beda, biasane padha nglumpuk ing kisaran 70–74 km/s/Mpc—luwih dhuwur tinimbang ~67 saka Planck.

3. Pendekatan Alam Semesta Awal (CMB)

3.1 Model ΛCDM lan CMB

Anisotropi latar gelombang mikro kosmik (CMB) sing diukur dening WMAP utawa Planck, miturut model kosmologi standar ΛCDM, ngira skala puncak akustik lan parameter liyane. Saka pas cocog spektrum daya CMB, diduweni Ωb h², Ωc h², lan parameter liyane. Gabungan iki karo asumsi datar, lan data BAO utawa liyane, ngasilake H0 sing diturunake.

3.2 Pangukuran Planck

Data pungkasan kolaborasi Planck biasane ngasilake H0 = 67.4 ± 0.5 km/s/Mpc (gumantung prior sing tepat), kira-kira 5–6σ luwih murah tinimbang pangukuran lokal SHoES. Beda iki, sing dikenal minangka ketegangan Hubble, nduweni signifikansi ~5σ, cukup kanggo nuduhake manawa iki ora kamungkinan mung kebetulan acak.

3.3 Napa Ketidaksesuaian Iki Penting

Yen model standar ΛCDM bener lan data Planck sistematis kuwat, mula metode tangga jarak lokal kudu ngemot sistematik sing durung dikenal. Alternatif, yen jarak lokal akurat, bisa uga model alam semesta awal ora lengkap—fisika anyar bisa mengaruhi ekspansi kosmik utawa sawetara spesies relativistik tambahan utawa energi peteng awal ngowahi H0 sing diperkirakake.

4. Sumber Potensial Ketidaksesuaian

4.1 Kesalahan Sistematik ing Tangga Jarak?

Salah siji curiga yaiku kalibrasi Cepheid utawa fotometri supernova bisa ngemot sistematik sing durung dibenerake—kaya efek logam ing luminositas Cepheid, koreksi aliran lokal, utawa bias seleksi. Nanging konsistensi internal sing kuwat antarane pirang-pirang tim nyuda kamungkinan kesalahan gedhe. Metode TRGB uga nyedhaki H0 sing cukup dhuwur, sanajan rada luwih murah tinimbang Cepheid, nanging isih luwih dhuwur tinimbang Planck.

4.2 Sistematik Sing Durung Dikenali ing CMB utawa ΛCDM?

Kemungkinan liyane yaiku interpretasi CMB Planck ing ngisor ΛCDM kélangan faktor penting, contone:

  • Fisika neutrino sing diperluas utawa spesies relativistik ekstra (Neff).
  • Energi peteng awal cedhak rekombinasi.
  • Geometri non-datar utawa energi peteng sing owah-owahan wektu.

Planck ora weruh pratandha kuwat babagan iki, nanging ana pratandha alus ing sawetara pas cocog model sing diperluas. Durung ana sing bisa ngrampungake ketegangan iki kanthi yakin tanpa nambah anomali liyane utawa nambah kompleksitas.

4.3 Loro Konstanta Hubble Sing Beda?

Sawetara argue yen laju ekspansi ing redshift endhek bisa beda saka rata-rata global yen struktur lokal gedhe utawa inhomogenitas ("gelembung Hubble") ana, nanging data saka pirang-pirang arah, skala kosmik liyane, lan asumsi homogenitas umum nggawe penjelasan bolongan lokal gedhe utawa lingkungan lokal kurang mungkin kanggo nerangake ketegangan kanthi lengkap.

5. Upaya Ngatasi Ketegangan

5.1 Metode Independen

Para peneliti nguji kalibrasi lokal alternatif:

  • Masers ing galaksi megamaser (kaya NGC 4258) minangka jangkar kanggo jarak supernova.
  • Penundaan wektu lensa kuat (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluktuasi kecerahan permukaan ing galaksi elips.

Nganti saiki, iki umume ndhukung H0 ing kisaran 60-an dhuwur nganti 70-an endhek, ora kabeh padha tekan nilai sing persis padha, nanging biasane luwih saka 67. Mula, ora ana siji jalur independen sing wis ngilangi ketegangan.

5.2 Data Luwih Saka DES, DESI, Euclid

BAO sing diukur ing beda redshift bisa mbangun maneh H(z) kanggo nguji apa ana penyimpangan saka ΛCDM antara z = 1100 (epok CMB) lan z = 0. Yen data nuduhake evolusi sing ngasilake H0 lokal luwih dhuwur nalika cocog karo Planck ing z dhuwur, iku bisa nuduhake fisika anyar (kaya energi peteng awal). DESI ngarahake ukuran jarak ~1% ing pirang-pirang redshift, bisa nerangake jalur ekspansi kosmik.

5.3 Tangga Jarak Generasi Sabanjure

Tim lokal terus nyempurnakake kalibrasi paralaks liwat data Gaia, nambah titik nol Cepheid, lan mriksa maneh sistematik ing fotometri supernova. Yen ketegangan tetep ana kanthi kesalahan luwih cilik, kasus kanggo fisika anyar saliyane ΛCDM saya kuwat. Yen ilang, kita bakal ngonfirmasi kekuwatan ΛCDM.

6. Implikasi kanggo Kosmologi

6.1 Yen Planck Bener (H Endhek0)

H sing endhek0 ≈ 67 km/s/Mpc cocog karo standar ΛCDM saka z = 1100 nganti saiki. Mula cara tangga jarak lokal kudu sistematis salah, utawa kita manggon ing wilayah lokal sing ora biasa. Skenario iki nuduhake yuswa jagad raya kira-kira 13,8 milyar taun. Prediksi struktur skala gedhe tetep konsisten karo data klaster galaksi, BAO, lan lensa.

6.2 Yen Tangga Lokal Bener (H Dhuwur0)

Yen H0 ≈ 73 iku bener, mula standar ΛCDM sing cocog karo Planck kudu ora lengkap. Kita bisa uga butuh:

  • Energi peteng awal tambahan sing sementara nambah ekspansi sadurunge rekombinasi, ngganti sudut puncak supaya inferensi H0 adhedhasar Planck dadi luwih murah.
  • Derajat kebebasan relativistik ekstra utawa fisika neutrino anyar.
  • Pecah ing asumsi alam semesta datar, murni ΛCDM.

Fisika anyar kaya ngono bisa ngrampungake ketegangan kanthi biaya model sing luwih rumit, nanging bisa dites nganggo data liyane (lensa CMB, watesan pertumbuhan struktur, nukleosintesis big bang).

6.3 Pandangan Mangsa Ngarep

Ketegangan iki ngajak cross-check sing kuat. CMB-S4 utawa data shear kosmik tingkat sabanjure bisa mriksa apa pertumbuhan struktur cocog karo ekspansi H0 sing dhuwur utawa rendah. Yen ketegangan tetep konsisten ing ~5σ, iki kanthi kuat nuduhake yen model standar perlu direvisi. Pangembangan teoretis utama utawa solusi sistematik bisa pungkasane netepake keputusan.

7. Kesimpulan

Ngukur konstanta Hubble (H0) dadi inti saka kosmologi, nyambungake observasi lokal babagan ekspansi karo kerangka alam semesta awal. Metode saiki ngasilake loro asil sing beda:

  1. Tangga Jarak Lokal (liwat Cepheids, TRGB, SNe) biasane ngasilake H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM adhedhasar CMB pas, nggunakake data Planck, ngasilake H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

“Ketegangan Hubble” iki, kanthi signifikansi kira-kira 5σ, nuduhake bisa ana sistematik sing durung dikenal ing salah siji pendekatan utawa fisika anyar sing ngluwihi model standar ΛCDM. Pangembangan terus-terusan ing kalibrasi paralaks (Gaia), titik nol supernova, jarak delay wektu lensa, lan BAO redshift dhuwur lagi nguji saben hipotesis. Yen ketegangan iki tetep, bisa mbukak solusi eksotik (energi peteng awal, neutrino ekstra, lsp.). Yen nyuda, kita bakal ngonfirmasi kekokohan ΛCDM.

Salah siji asil kasebut sacara jero mbentuk narasi kosmik kita. Ketegangan iki nyurung kampanye observasi anyar (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) lan model teoretis maju, nuduhake sifat dinamis kosmologi modern—ngendi data presisi lan anomali sing terus-terusan nyurung upaya kita kanggo nyawijikake awal lan saat iki alam semesta dadi siji gambaran sing koheren.

Referensi lan Wacan Luwih Jauh

  1. Riess, A. G., et al. (2016). “Penentuan 2.4% Nilai Lokal Konstanta Hubble.” The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). “Asil Planck 2018. VI. Paramèter kosmologis.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). “Program Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Penentuan Mandiri Konstanta Hubble adhedhasar Tip saka Red Giant Branch.” The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). “Ketegangan antar Alam Semesta awal lan pungkasan.” Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). “Pandhuan pemburu konstanta Hubble.” Physics Today, 73, 38.

 

← Artikel sadurunge                    Artikel sabanjure →

 

 

Bali menyang ndhuwur

Bali menyang Blog