Measuring the Hubble Constant: The Tension

Pomiar stałej Hubble'a: napięcie

Rozbieżności między lokalnymi a wczesno-unwersalnymi pomiarami napędzają nowe pytania kosmologiczne

Znaczenie H0

Stała Hubble'a (H0) ustala obecne tempo ekspansji wszechświata, zwykle wyrażane w kilometrach na sekundę na megaparsek (km/s/Mpc). Precyzyjna wartość H0 jest kluczowa w kosmologii, ponieważ:

  1. Określa wiek wszechświata przy ekstrapolacji wstecz od ekspansji.
  2. Kalibruje skalę odległości dla innych pomiarów kosmicznych.
  3. Pomaga to przełamać degeneracje w dopasowaniach parametrów kosmologicznych (np. gęstość materii, parametry ciemnej energii).

Tradycyjnie astronomowie mierzą H0 za pomocą dwóch odrębnych strategii:

  • Lokalne (drabina odległości): Budowanie od paralaksy do cefeid lub TRGB (wierzchołek czerwonego olbrzyma), a następnie wykorzystanie supernowych typu Ia, dające bezpośrednią miarę tempa ekspansji w stosunkowo bliskim wszechświecie.
  • Podejście wczesno-unwersalne: Wnioskowanie H0 z danych kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMB) w ramach wybranego modelu kosmologicznego (ΛCDM), plus oscylacje akustyczne barionów lub inne ograniczenia.

W ostatnich latach te dwa podejścia dają znacząco różne wartości H0: wyższą lokalną (~73–75 km/s/Mpc) vs. niższą opartą na CMB (~67–68 km/s/Mpc). Ta rozbieżność — zwana „napięciem Hubble'a” — sugeruje albo nową fizykę wykraczającą poza standardowy model ΛCDM, albo nierozwiązane systematyki w jednej lub obu metodach pomiaru.

2. Lokalna drabina odległości: podejście krok po kroku

2.1 Paralaksa i kalibracja

Podstawą lokalnej drabiny odległości jest paralaksa (trygonometryczna) dla stosunkowo bliskich gwiazd (misja Gaia, paralaksa HST dla cefeid itp.). Paralaksa ustala absolutną skalę dla standardowych świec, takich jak zmienne cefeidy, które mają dobrze scharakteryzowaną zależność okres–jasność.

2.2 Cefeidy i TRGB

  • Zmienność cefeid: Kluczowy szczebel do kalibracji dalszych wskaźników, takich jak supernowe typu Ia. Freedman i Madore, Riess i in. (zespół SHoES) oraz inni udoskonalili lokalne kalibracje cefeid.
  • Wierzchołek czerwonego olbrzyma (TRGB): Inna technika wykorzystuje jasność czerwonych olbrzymów przy zapłonie helu w populacjach ubogich w metale. Zespół Carnegie–Chicago (Freedman i in.) zmierzył precyzję ~1% w niektórych lokalnych galaktykach, oferując alternatywę dla cefeid.

2.3 Supernowe typu Ia

Gdy cefeidy (lub TRGB) w galaktykach gospodarzy zakotwiczą jasności supernowych, można mierzyć supernowe nawet do setek Mpc. Porównując pozorną jasność supernowych z wyznaczoną jasnością absolutną, otrzymujemy odległości. Wykres prędkości ucieczki (z przesunięcia ku czerwieni) względem odległości daje lokalnie H0.

2.4 Lokalne pomiary

Riess i in. (SHoES) zazwyczaj znajdują H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (z niepewnością ~1,0–1,5%). Freedman i in. (TRGB) znajdują wartości około 69–71 km/s/Mpc, nieco niższe niż Riess, ale nadal powyżej opartej na Planck ~67. Tak więc, choć lokalne pomiary różnią się nieco między sobą, zwykle skupiają się wokół 70–74 km/s/Mpc — wyżej niż ~67 z Plancka.

3. Podejście wczesnego wszechświata (CMB)

3.1 Model ΛCDM i CMB

Anizotropie kosmicznego mikrofalowego tła (CMB) mierzone przez WMAP lub Planck, w ramach standardowego modelu kosmologicznego ΛCDM, pozwalają wywnioskować skale szczytów akustycznych i inne parametry. Na podstawie dopasowania widma mocy CMB otrzymuje się Ωb h², Ωc h² i inne parametry. Połączenie ich z założeniem płaskości oraz danymi BAO lub innymi daje wyliczone H0.

3.2 Pomiar Plancka

Ostateczne dane współpracy Planck zazwyczaj dają H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (w zależności od dokładnych priorytetów), około 5–6σ niżej niż lokalny pomiar SHoES. Ta różnica, znana jako napięcie Hubble'a, ma znaczenie na poziomie ~5σ, co sugeruje, że jest mało prawdopodobne, by była przypadkowym zbiegiem okoliczności.

3.3 Dlaczego rozbieżność ma znaczenie

Jeśli standardowy model ΛCDM jest poprawny, a dane Plancka są systematycznie wiarygodne, to lokalne metody drabiny odległości muszą zawierać nierozpoznaną systematykę. Alternatywnie, jeśli lokalne odległości są dokładne, być może model wczesnego wszechświata jest niekompletny — nowa fizyka może wpływać na ekspansję kosmiczną lub dodatkowy gatunek relatywistyczny bądź wczesna ciemna energia zmieniają wyliczone H0.

4. Potencjalne źródła rozbieżności

4.1 Błędy systematyczne w drabinie odległości?

Jednym z podejrzeń jest, że kalibracje cefeid lub fotometria supernowych mogą zawierać niepoprawione systematyki — takie jak efekty metaliczności na jasności cefeid, korekty lokalnych przepływów lub błędy selekcji. Jednak silna wewnętrzna spójność między wieloma zespołami zmniejsza prawdopodobieństwo dużego błędu. Metody TRGB również zbliżają się do umiarkowanie wysokiego H0, choć nieco niższego niż cefeidy, ale nadal wyższego niż Planck.

4.2 Nierozpoznane systematyki w CMB lub ΛCDM?

Inną możliwością jest to, że interpretacja CMB Plancka w ramach ΛCDM pomija kluczowy czynnik, np.:

  • Rozszerzona fizyka neutrin lub dodatkowy gatunek relatywistyczny (Neff).
  • Wczesna ciemna energia w pobliżu rekombinacji.
  • Niepłaska geometria lub czasowo zmienna ciemna energia.

Planck nie wykrywa wyraźnych oznak tych zjawisk, ale pojawiają się łagodne wskazówki w niektórych rozszerzonych dopasowaniach modeli. Żaden z nich nie rozwiązuje jeszcze przekonująco napięcia bez wywoływania innych anomalii lub zwiększania złożoności.

4.3 Dwa różne stałe Hubble'a?

Niektórzy twierdzą, że tempo ekspansji przy niskim przesunięciu ku czerwieni może różnić się od globalnej średniej, jeśli istnieją duże lokalne struktury lub niejednorodności (tzw. „bańka Hubble’a”), ale dane z wielu kierunków, innych skal kosmicznych i ogólne założenie jednorodności sprawiają, że znacząca lokalna pustka lub lokalne środowisko są mniej prawdopodobne, by w pełni wyjaśnić to napięcie.

5. Wysiłki na rzecz rozwiązania napięcia

5.1 Niezależne metody

Badacze testują alternatywne lokalne kalibracje:

  • Masery w galaktykach megamaserowych (jak NGC 4258) jako punkt odniesienia dla odległości supernowych.
  • Opóźnienia czasowe silnego soczewkowania (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluktuacje jasności powierzchniowej w galaktykach eliptycznych.

Jak dotąd, te generalnie wspierają H0 w zakresie od wysokich 60 do niskich 70, nie wszystkie zbieżne do tej samej dokładnej wartości, ale zazwyczaj powyżej 67. Tak więc żadna pojedyncza niezależna metoda nie usunęła napięcia.

5.2 Więcej danych z DES, DESI, Euclid

BAO mierzone przy różnych przesunięciach ku czerwieni mogą odtworzyć H(z), aby sprawdzić, czy pojawia się jakiekolwiek odchylenie od ΛCDM między z = 1100 (epoka CMB) a z = 0. Jeśli dane pokażą ewolucję skutkującą wyższym lokalnym H0 przy jednoczesnym dopasowaniu do Plancka przy wysokim z, może to wskazywać na nową fizykę (np. wczesną ciemną energię). DESI dąży do ~1% dokładności pomiaru odległości na wielu przesunięciach ku czerwieni, co może wyjaśnić ścieżkę ekspansji kosmicznej.

5.3 Drabina odległości następnej generacji

Lokalne zespoły nadal udoskonalają kalibracje paralaksy za pomocą danych Gaia, poprawiają punkty zerowe Cepheidów i ponownie sprawdzają systematyki w fotometrii supernowych. Jeśli napięcie utrzyma się przy mniejszych błędach, argument za nową fizyką poza ΛCDM stanie się silniejszy. Jeśli zniknie, potwierdzimy solidność ΛCDM.

6. Implikacje dla kosmologii

6.1 Jeśli Planck ma rację (niskie H0)

Niskie H0 ≈ 67 km/s/Mpc zgadza się ze standardowym ΛCDM od z = 1100 do teraz. Wtedy lokalne metody drabiny odległości muszą być systematycznie błędne lub zamieszkujemy nietypowy lokalny obszar. Ten scenariusz wskazuje, że wiek wszechświata to ~13,8 miliarda lat. Przewidywania dotyczące struktury na dużą skalę pozostają zgodne z danymi o skupiskach galaktyk, BAO i soczewkowaniu.

6.2 Jeśli lokalna drabina jest poprawna (wysokie H0)

Jeśli H0 ≈ 73 jest poprawne, wtedy standardowe dopasowanie ΛCDM do Plancka musi być niekompletne. Możemy potrzebować:

  • Dodatkowa wczesna ciemna energia, która tymczasowo przyspiesza ekspansję przed rekombinacją, zmieniając kąty szczytów, przez co inferencja H0 oparta na Plancku jest obniżona.
  • Dodatkowe relatywistyczne stopnie swobody lub nowa fizyka neutrin.
  • Załamanie założenia płaskiego, czysto ΛCDM wszechświata.

Taka nowa fizyka mogłaby rozwiązać napięcie kosztem bardziej złożonych modeli, ale mogłaby być przetestowana przez inne dane (soczewkowanie CMB, ograniczenia wzrostu struktur, nukleosyntezę Wielkiego Wybuchu).

6.3 Przyszłe perspektywy

Napięcie zachęca do solidnych wzajemnych kontroli. CMB-S4 lub dane o kolejnym poziomie ugięcia kosmicznego mogą sprawdzić, czy wzrost struktur jest zgodny z ekspansją o wysokim lub niskim H0. Jeśli napięcie pozostanie na poziomie ~5σ, będzie to silny sygnał, że standardowy model wymaga rewizji. Znaczący rozwój teoretyczny lub rozwiązanie systematyczne może ostatecznie przesądzić sprawę.

7. Wnioski

Pomiar stałej Hubble'a (H0) jest sercem kosmologii, łącząc lokalne obserwacje ekspansji z ramami wczesnego wszechświata. Obecne metody dają dwa odrębne wyniki:

  1. Lokalna drabina odległości (poprzez cefeidy, TRGB, SNe) zazwyczaj daje H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. Model ΛCDM oparty na CMB, wykorzystujący dane Plancka, daje H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

To „napięcie Hubble'a”, o znaczeniu około 5σ, sugeruje albo nierozpoznane systematyki w jednym z podejść, albo nową fizykę wykraczającą poza standardowy model ΛCDM. Trwające ulepszenia kalibracji paralaksy (Gaia), zerowego punktu supernowych, odległości opóźnień soczewkowania i BAO o wysokim przesunięciu ku czerwieni testują każdą hipotezę. Jeśli napięcie się utrzyma, może ujawnić egzotyczne rozwiązania (wczesna ciemna energia, dodatkowe neutrina itp.). Jeśli zmaleje, potwierdzimy solidność ΛCDM.

Każdy wynik głęboko kształtuje naszą kosmiczną narrację. Napięcie napędza nowe kampanie obserwacyjne (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) oraz zaawansowane modele teoretyczne, ukazując dynamiczny charakter współczesnej kosmologii — gdzie precyzyjne dane i uporczywe anomalie napędzają nasze dążenie do połączenia wczesnego i obecnego wszechświata w jedną spójną całość.

Bibliografia i dalsza 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 Planck 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.

 

← Poprzedni artykuł                    Następny artykuł →

 

 

Powrót na górę

Powrót do bloga