Measuring the Hubble Constant: The Tension

Mätning av Hubble-konstanten: Spänningen

Skillnader i lokala vs. tidiga universums mätningar som driver nya kosmologiska frågor

Vikten av H0

Hubblekonstanten (H0) sätter den nuvarande expansionshastigheten för universum, vanligtvis uttryckt i enheter kilometer per sekund per megaparsec (km/s/Mpc). Ett precist värde på H0 är avgörande inom kosmologi eftersom:

  1. Det bestämmer åldern på universum när man extrapolerar bakåt från expansionen.
  2. Det kalibrerar avståndsskalan för andra kosmiska mätningar.
  3. Det hjälper till att bryta degenereringar i kosmologiska parameteranpassningar (t.ex. materietäthet, parametrar för mörk energi).

Traditionellt mäter astronomer H0 via två distinkta strategier:

  • Lokal (avståndssteg) ansats: Bygger från parallax till Cepheider eller TRGB (Tip of the Red Giant Branch), sedan använder typ Ia-supernovor, vilket ger en direkt expansionshastighet i det relativt närliggande universum.
  • Tidigt universum-ansats: Att härleda H0 från kosmisk bakgrundsstrålning (CMB) data under en vald kosmologisk modell (ΛCDM), plus baryonakustiska svängningar eller andra begränsningar.

Under de senaste åren ger dessa två metoder signifikant olika värden på H0: en högre lokal mätning (~73–75 km/s/Mpc) vs. en lägre CMB-baserad mätning (~67–68 km/s/Mpc). Denna skillnad—kallad “Hubble-spänning”—tyder antingen på ny fysik bortom standard ΛCDM eller olösta systematiska fel i en eller båda mätmetoderna.

2. Lokal avståndssteg: En steg-för-steg-metod

2.1 Parallax och kalibrering

Grunden för den lokala avståndsstegen är parallax (trigonometrisk) för relativt nära stjärnor (Gaia-uppdraget, HST-parallax för Cepheider, etc.). Parallax sätter den absoluta skalan för standardljuskällor som Cepheidvariabler, vilka har en välkarakteriserad period–ljusstyrka-relation.

2.2 Cepheider och TRGB

  • Cepheidvariabler: Den viktiga stegen för att kalibrera mer avlägsna markörer som typ Ia-supernovor. Freedman och Madore, Riess et al. (SHoES-teamet) och andra förfinade lokala Cepheidkalibreringar.
  • Tip of the Red Giant Branch (TRGB): En annan teknik använder ljusstyrkan hos röda jättar vid heliumblixtens början i metallfattiga populationer. Carnegie–Chicago-teamet (Freedman et al.) mätte ~1 % precision i några lokala galaxer, vilket ger ett alternativ till Cepheider.

2.3 Typ Ia-supernovor

När Cepheider (eller TRGB) i värdgalaxer förankrar supernovas ljusstyrka kan man mäta supernovor ut till hundratals Mpc. Genom att jämföra supernovors uppenbara ljusstyrka med härledd absolut ljusstyrka får vi avstånd. Att plotta recessionhastighet (från rödförskjutning) mot avstånd ger H0 lokalt.

2.4 De lokala mätningarna

Riess et al. (SHoES) finner typiskt H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (med ~1,0–1,5% osäkerhet). Freedman et al. (TRGB) finner värden runt 69–71 km/s/Mpc, något lägre än Riess men fortfarande över Plancks ~67. Således, medan lokala mätningar skiljer sig något sinsemellan, klustrar de sig typiskt runt 70–74 km/s/Mpc—högre än ~67 från Planck.

3. Tidiga universums (CMB) metod

3.1 ΛCDM-modellen och CMB

De kosmiska mikrovågsbakgrundens (CMB) anisotropier som mäts av WMAP eller Planck, under en standard ΛCDM-kosmologisk modell, härleder akustiska toppskalor och andra parametrar. Genom att passa CMB:s effekt-spektrum erhålls Ωb h², Ωc h² och andra parametrar. Att kombinera dessa med antagandet om planhet, och med BAO eller annan data, ger ett härlett H0.

3.2 Plancks mätning

Planck-samarbetets slutgiltiga data ger typiskt H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (beroende på exakta priorer), cirka 5–6σ lägre än den lokala SHoES-mätningen. Denna skillnad, känd som Hubble-spänningen, har en ~5σ signifikans, tillräckligt för att antyda att det är osannolikt att vara en slump.

3.3 Varför diskrepansen är viktig

Om den standardmässiga ΛCDM-modellen är korrekt och Planck-data är systematiskt robusta, måste lokala avståndsstegmetoder innehålla ett oidentifierat systematiskt fel. Alternativt, om lokala avstånd är korrekta, kan den tidiga universums modell vara ofullständig—ny fysik kan påverka den kosmiska expansionen eller någon extra relativistisk art eller tidig mörk energi ändrar det härledda H0.

4. Potentiella källor till diskrepans

4.1 Systematiska fel i avståndsstegen?

En misstanke är att Cepheidkalibreringar eller supernovafotometri kan innehålla okorrigerade systematiska fel—som metallicitets-effekter på Cepheid-ljusstyrkor, lokala flödeskorrigeringar eller urvalsbias. Den starka interna konsistensen mellan flera team minskar dock sannolikheten för ett stort fel. TRGB-metoder konvergerar också mot måttligt högt H0, något lägre än Cepheider men fortfarande högre än Planck.

4.2 Oidentifierade systematiska fel i CMB eller ΛCDM?

En annan möjlighet är att Plancks CMB-tolkning under ΛCDM missar en avgörande faktor, t.ex.:

  • Utökad neutrinofysik eller en extra relativistisk art (Neff).
  • Tidig mörk energi nära rekombinationen.
  • Ej platt geometri eller tidsvarierande mörk energi.

Planck ser inga starka tecken på dessa, men milda antydningar i vissa utökade modellanpassningar förekommer. Ingen har ännu övertygande löst spänningen utan att skapa andra anomalier eller öka komplexiteten.

4.3 Två olika Hubble-konstanter?

Vissa hävdar att expansionshastigheten vid låg rödförskjutning kan skilja sig från det globala genomsnittet om stora lokala strukturer eller inhomogeniteter ("Hubble-bubblan") finns, men data från flera riktningar, andra kosmiska skalor och antagandet om allmän homogenitet gör en betydande lokal tomrum eller lokal miljöförklaring mindre sannolik att helt förklara spänningen.

5. Ansträngningar för att lösa spänningen

5.1 Oberoende metoder

Forskare testar alternativa lokala kalibreringar:

  • Masrar i megamasargalaxer (som NGC 4258) som ankare för supernovaavstånd.
  • Stark gravitationslinsning tidsfördröjningar (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Ytljusfluktuationer i elliptiska galaxer.

Hittills stöder dessa generellt H0 i det höga 60-talet till låga 70-talet, inte alla konvergerande till exakt samma värde, men vanligtvis över 67. Således har ingen enskild oberoende metod eliminerat spänningen.

5.2 Mer data från DES, DESI, Euclid

BAO mätta vid olika rödförskjutningar kan rekonstruera H(z) för att testa om någon avvikelse från ΛCDM uppstår mellan z = 1100 (CMB-epoken) och z = 0. Om data visar en utveckling som ger ett högre lokalt H0 samtidigt som Planck stämmer vid höga z, kan det indikera ny fysik (som tidig mörk energi). DESI siktar på en ~1% avståndsmätning vid flera rödförskjutningar, vilket kan klargöra den kosmiska expansionsbanan.

5.3 Nästa generations avståndssteg

Lokala team fortsätter att förfina parallaxkalibreringar via Gaia-data, förbättrar Cepheid-nollpunkter och kontrollerar systematiken i supernovafotometri igen. Om spänningen kvarstår med mindre felmarginaler, blir argumentet för ny fysik bortom ΛCDM starkare. Om den försvinner, bekräftar vi ΛCDM:s stabilitet.

6. Konsekvenserna för kosmologin

6.1 Om Planck har rätt (lågt H0)

Ett lågt H0 ≈ 67 km/s/Mpc stämmer överens med standard ΛCDM från z = 1100 till nu. Då måste lokala avståndsstege-metoder systematiskt vara felaktiga, eller så befinner vi oss i en ovanlig lokal region. Detta scenario indikerar att universums ålder är ~13,8 miljarder år. Storskaliga strukturprognoser förblir förenliga med galaxklustringsdata, BAO:er och linsning.

6.2 Om den lokala stegen är rätt (H högt0)

Om H0 ≈ 73 är korrekt, då måste den standardmässiga ΛCDM-anpassningen till Planck vara ofullständig. Vi kan behöva:

  • Ytterligare tidig mörk energi som tillfälligt påskyndar expansionen före rekombination, vilket ändrar toppvinklar så att Planck-baserad inferens av H0 sänks.
  • Extra relativistiska frihetsgrader eller ny neutrino-fysik.
  • Ett sammanbrott i antagandet om ett platt, rent ΛCDM-universum.

Sådan ny fysik kan lösa spänningen på bekostnad av mer komplexa modeller, men kan testas med annan data (CMB-linsning, begränsningar av strukturens tillväxt, big bang-nukleosyntes).

6.3 Framtidsutsikter

Spänningen inbjuder till robusta korskontroller. CMB-S4 eller nästa nivå av kosmisk skjuvningsdata kan kontrollera om strukturens tillväxt stämmer överens med antingen hög eller låg H0-expansion. Om spänningen förblir konsekvent vid ~5σ signalerar det starkt att standardmodellen behöver revideras. En större teoretisk utveckling eller en systematisk lösning kan slutligen avgöra saken.

7. Slutsats

Att mäta Hubble-konstanten (H0) står i centrum för kosmologi, och kopplar lokala observationer av expansion med det tidiga universum-ramverket. Nuvarande metoder ger två distinkta resultat:

  1. Lokal avståndsstapel (via Cepheider, TRGB, SNe) ger vanligtvis H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. CMB-baserade ΛCDM-anpassningar, med Planck-data, ger H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Denna ”Hubble-spänning,” med ungefär 5σ signifikans, antyder antingen oigenkända systematiska fel i en metod eller ny fysik bortom den standardmässiga ΛCDM-modellen. Pågående förbättringar i parallaxkalibrering (Gaia), supernova-nollpunkt, linsningstid-fördröjningsavstånd och hög-rödförskjutnings-BAO testar varje hypotes. Om spänningen kvarstår kan den avslöja exotiska lösningar (tidig mörk energi, extra neutriner, etc.). Om den minskar bekräftar vi ΛCDM:s stabilitet.

Båda utfallen formar djupt vår kosmiska berättelse. Spänningen driver nya observationskampanjer (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) och avancerade teoretiska modeller, vilket visar den dynamiska naturen hos modern kosmologi—där precisionsdata och ihållande anomalier driver vår strävan att förena det tidiga och nuvarande universum till en sammanhängande bild.

Referenser och vidare 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 jättegrenen.” 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-konstantens jägarguide.” Physics Today, 73, 38.

 

← Föregående artikel                    Nästa artikel →

 

 

Tillbaka till toppen

Tillbaka till bloggen