Measuring the Hubble Constant: The Tension

Измерение постоянной Хаббла: напряжённость

Расхождения в локальных и ранних измерениях вызывают новые космологические вопросы

Значение H0

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

  1. Это определяет возраст Вселенной при обратном экстраполировании от расширения.
  2. Это калибрует шкалу расстояний для других космических измерений.
  3. Это помогает устранить вырождения при подгонке космологических параметров (например, плотности вещества, параметров тёмной энергии).

Традиционно астрономы измеряют H0 двумя различными стратегиями:

  • Локальный (лестничный) подход: Построение от параллакса к цефеидам или TRGB (вершина ветви красных гигантов), затем использование сверхновых типа Ia, что даёт прямую скорость расширения во сравнительно близкой Вселенной.
  • Подход ранней Вселенной: Вывод H0 из данных космического микроволнового фона (СВМ) в рамках выбранной космологической модели (ΛCDM), плюс барионные акустические колебания или другие ограничения.

В последние годы эти два подхода дают существенно разные значения H0: более высокое локальное измерение (~73–75 км/с/Мпк) против более низкого измерения на основе СВМ (~67–68 км/с/Мпк). Это расхождение — так называемое «напряжение Хаббла» — указывает либо на новую физику за пределами стандартной ΛCDM, либо на нерешённые систематические ошибки в одном или обоих методах измерения.

2. Локальная лестница расстояний: пошаговый подход

2.1 Параллакс и калибровка

Основа локальной лестницы расстояний — это параллакс (тригонометрический) для относительно близких звёзд (миссия Gaia, параллакс HST для цефеид и др.). Параллакс задаёт абсолютный масштаб для стандартных свечей, таких как цефеиды, у которых хорошо описана зависимость периода от светимости.

2.2 Цефеиды и TRGB

  • Цефеиды: Ключевой этап для калибровки более удалённых индикаторов, таких как сверхновые типа Ia. Фридман и Мадор, Риесс и др. (команда SHoES) и другие уточнили локальные калибровки цефеид.
  • Вершина ветви красных гигантов (TRGB): Другой метод использует светимость красных гигантов при начале гелиевого вспышечного горения в металло-бедных популяциях. Команда Carnegie–Chicago (Фридман и др.) измерила точность около 1% в некоторых локальных галактиках, предоставляя альтернативу цефеидам.

2.3 Сверхновые типа Ia

Как только цефеиды (или TRGB) в галактиках-хозяевах закрепляют светимость сверхновых, можно измерять сверхновые на расстояниях в сотни Мпк. Сравнивая видимую яркость сверхновых с вычисленной абсолютной светимостью, мы получаем расстояния. Построение графика скорости удаления (по красному смещению) против расстояния даёт H0 локально.

2.4 Локальные измерения

Riess et al. (SHoES) обычно находят H0 ≈ 73–74 км/с/Мпк (с неопределённостью около 1.0–1.5%). Freedman et al. (TRGB) получают значения около 69–71 км/с/Мпк, немного ниже Riess, но всё ещё выше, чем примерно 67 по Планку. Таким образом, хотя локальные измерения несколько различаются между собой, они обычно сосредоточены в диапазоне 70–74 км/с/Мпк — выше, чем около 67 по Планку.

3. Подход ранней Вселенной (CMB)

3.1 Модель ΛCDM и CMB

Анизотропии космического микроволнового фона (CMB), измеренные WMAP или Планком, в рамках стандартной космологической модели ΛCDM позволяют определить масштабы акустических пиков и другие параметры. По подгонке спектра мощности CMB получают Ωb h², Ωc h² и другие параметры. Совмещение этих данных с предположением плоскостности и с данными BAO или другими даёт выводимое значение H0.

3.2 Измерение Планка

Окончательные данные коллаборации Планк обычно дают H0 = 67.4 ± 0.5 км/с/Мпк (в зависимости от точных априорных данных), что примерно на 5–6σ ниже локального измерения SHoES. Эта разница, известная как напряжённость Хаббла, имеет значимость около 5σ, что достаточно, чтобы считать её маловероятной случайной ошибкой.

3.3 Почему расхождение важно

Если стандартная модель ΛCDM верна и данные Планка систематически надёжны, то методы локальной лестницы расстояний должны содержать нераспознанную систематическую ошибку. Или, если локальные расстояния точны, возможно, модель ранней Вселенной неполна — новая физика может влиять на космическое расширение, либо дополнительный релятивистский вид или ранняя темная энергия изменяют выводимое значение H0.

4. Потенциальные источники расхождений

4.1 Систематические ошибки в лестнице расстояний?

Одно из подозрений — что калибровки цефеид или фотометрия сверхновых могут содержать неучтённые систематические ошибки — например, влияние металличности на светимость цефеид, поправки на локальные потоки или селекционные искажения. Однако высокая внутренняя согласованность между разными группами снижает вероятность большой ошибки. Методы TRGB также сходятся к умеренно высокому значению H0, хоть и немного ниже, чем у цефеид, но всё равно выше, чем у Планка.

4.2 Неучтённые систематические ошибки в CMB или ΛCDM?

Другая возможность — что интерпретация реликтового излучения Планком в рамках ΛCDM упускает важный фактор, например:

  • Расширенная физика нейтрино или дополнительный релятивистский вид (Neff).
  • Ранняя темная энергия около времени рекомбинации.
  • Невыпуклая геометрия или темная энергия, изменяющаяся со временем.

Planck не обнаруживает явных признаков этого, но в некоторых расширенных моделях появляются слабые намёки. Пока ни одна из них убедительно не решает напряжённость без появления других аномалий или усложнения модели.

4.3 Два разных значения постоянной Хаббла?

Некоторые утверждают, что скорость расширения при низких красных смещениях может отличаться от глобального среднего, если существуют крупные локальные структуры или неоднородности («пузырь Хаббла»), но данные из разных направлений, других космических масштабов и предположение общей однородности делают объяснение напряжённости значительной локальной пустотой или локальной средой менее вероятным.

5. Усилия по разрешению напряжённости

5.1 Независимые методы

Исследователи проверяют альтернативные локальные калибровки:

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

Пока что они в целом поддерживают H0 в диапазоне от высоких 60 до низких 70, не все сходятся к одному точному значению, но обычно выше 67. Таким образом, ни один независимый метод не устранил напряжённость.

5.2 Больше данных от DES, DESI, Euclid

БАОс, измеренные на разных красных смещениях, могут восстановить H(z) для проверки отклонений от ΛCDM между z = 1100 (эпоха CMB) и z = 0. Если данные покажут эволюцию, приводящую к более высокому локальному H0 при согласии с Planck на больших z, это может указывать на новую физику (например, раннюю тёмную энергию). DESI нацелен на ~1% точность измерения расстояний на нескольких красных смещениях, что может прояснить путь космического расширения.

5.3 Лестница расстояний следующего поколения

Местные команды продолжают уточнять калибровки параллакса с помощью данных Gaia, улучшая нулевые точки цефеид и перепроверяя систематические ошибки в фотометрии сверхновых. Если напряжённость сохранится при уменьшении погрешностей, аргументы в пользу новой физики за пределами ΛCDM станут сильнее. Если напряжённость исчезнет, мы подтвердим надёжность ΛCDM.

6. Последствия для космологии

6.1 Если Planck прав (низкий H0)

Низкий H0 ≈ 67 км/с/Мпк соответствует стандартной ΛCDM от z = 1100 до настоящего времени. Тогда методы локальной лестницы расстояний систематически ошибочны или мы находимся в необычном локальном регионе. Этот сценарий указывает на возраст Вселенной около 13,8 миллиардов лет. Прогнозы крупномасштабной структуры остаются согласованными с данными о кластеризации галактик, БАОс и гравитационном линзировании.

6.2 Если локальная лестница права (высокий H0)

Если H0 Если ≈ 73 верно, тогда стандартная модель ΛCDM, подогнанная под Planck, неполна. Возможно, нам нужно:

  • Дополнительная ранняя тёмная энергия, которая временно ускоряет расширение до рекомбинации, изменяя углы пиков, из-за чего вывод H0 на основе Planck снижается.
  • Дополнительные релятивистские степени свободы или новая физика нейтрино.
  • Нарушение предположения о плоской, чисто ΛCDM Вселенной.

Такая новая физика может решить напряжённость ценой более сложных моделей, но её можно проверить другими данными (линзирование CMB, ограничения на рост структуры, нуклеосинтез большого взрыва).

6.3 Перспективы на будущее

Напряжённость требует тщательных перекрёстных проверок. CMB-S4 или данные следующего уровня по космическому сдвигу могут проверить, соответствует ли рост структуры либо высокому, либо низкому расширению H0. Если напряжённость останется на уровне ~5σ, это сильно укажет на необходимость пересмотра стандартной модели. Крупное теоретическое открытие или систематическое решение могут в итоге поставить окончательный вердикт.

7. Заключение

Измерение постоянной Хаббла (H0) является ключевым в космологии, связывая локальные наблюдения расширения с концепцией ранней Вселенной. Современные методы дают два различных результата:

  1. Локальная лестница расстояний (через цефеид, TRGB, сверхновые) обычно даёт H0 ≈ 73 км/с/Мпк.
  2. Подгонки ΛCDM на основе CMB с использованием данных Planck дают H0 ≈ 67 км/с/Мпк.

Эта «напряжённость Хаббла», с уровнем значимости около 5σ, подразумевает либо неучтённые систематические ошибки в одном из подходов, либо новую физику за пределами стандартной модели ΛCDM. Текущие улучшения в калибровке параллакса (Gaia), нулевой точке сверхновых, расстояниях по задержке времени линзирования и ВАХ на больших красных смещениях проверяют каждую гипотезу. Если напряжённость сохранится, это может открыть экзотические решения (ранняя тёмная энергия, дополнительные нейтрино и т. п.). Если она уменьшится, мы подтвердим надёжность ΛCDM.

Любой исход глубоко формирует наш космический рассказ. Напряжённость стимулирует новые наблюдательные кампании (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) и продвинутые теоретические модели, демонстрируя динамичную природу современной космологии — где точные данные и устойчивые аномалии ведут наш поиск объединения ранней и нынешней Вселенной в единую целостную картину.

Ссылки и дополнительная литература

  1. Riess, A. G., et al. (2016). «Определение локального значения постоянной Хаббла с точностью 2,4%.» The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Коллаборация Планк (2018). «Результаты Планк 2018. VI. Космологические параметры.» Астрономия и астрофизика, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). «Программа Карнеги-Чикаго по Хабблу. 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.

 

← Предыдущая статья                    Следующая статья →

 

 

Наверх

Вернуться к блогу