Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Vietinių ir ankstyvosios Visatos matavimų nesutapimai, keliantys naujų kosmologinių klausimų

Kodėl H0 svarbi

Hablo konstanta (H0) apibūdina dabartinį Visatos plėtimosi greitį, dažniausiai išreiškiama kilometrais per sekundę vienam megaparsekui (km/s/Mpc). Tikslus H0 įvertis kosmologijoje yra labai svarbus, nes:

  1. Nurodo Visatos amžių, jei ekstrapoliuojame plėtrą atgal laike.
  2. Kalibruoja atstumų skalę kitiems kosminiams matavimams.
  3. Padeda išspręsti kosmologinių parametrų (pvz., materijos tankio, tamsiosios energijos parametrų) dviprasmiškumus.

Tradiciškai astronomai H0 matuoja dviem skirtingais būdais:

  • Vietinis (atstumų kopėčių) metodas: Pradedant nuo paralakso iki Cepheidų ar TRGB (raudonųjų milžinių viršūnės), vėliau naudojamos I tipo supernovos. Taip gaunamas tiesioginis plėtimosi greitis santykinai netolimoje Visatoje.
  • Ankstyvosios Visatos metodas: Išvedamas H0 iš kosminės foninės mikrobangų spinduliuotės (KFS) duomenų pagal pasirinktą kosmologinį modelį (ΛCDM) ir barioninių akustinių osciliacijų (BAO) ar kitų apribojimų.

Pastaraisiais metais šie du metodai duoda reikšmingai skirtingas H0 reikšmes: didesnę (~73–75 km/s/Mpc) iš vietinio metodo ir mažesnę (~67–68 km/s/Mpc) – iš KFS pagrįstų skaičiavimų. Ši neatitiktis, vadinama „Hablo įtampa“, rodo arba naują fiziką už įprasto ΛCDM, arba dar neišspręstas sistemines paklaidas vienoje ar abiejose metodikose.

2. Vietinė Atstumų Kopėčia: Pakopos Principu

2.1 Paralaksas ir Kalibravimas

Vietinės atstumų kopėčios pagrindas yra paralaksas (trigonometrinis) netolimiems šviesuliams (Gaia misija, HST paralaksai Cepheidams ir pan.). Paralaksas nustato absoliučią skalę tokiems standartiniams šviesuliams kaip Cepheidų kintamosios žvaigždės, kurios pasižymi gerai aprašyta periodo ir šviesio sąsaja.

2.2 Cepheidai ir TRGB

  • Cepheidų kintamosios žvaigždės: Pagrindinė pakopa kalibruojant tolimus žymeklius, pvz., I tipo supernovas. Freedman ir Madore, Riess ir kt. (SHoES komanda) bei kiti patobulino vietinį Cepheidų kalibravimą.
  • Raudonųjų milžinių viršūnė (TRGB): Kitas metodas, išnaudojantis raudonųjų milžinių žvaigždžių šviesio reikšmę ties helio užsiliepsnojimu (metalų skurdžiose populiacijose). Carnegie–Chicago komanda (Freedman ir kt.) pasiekė ~1 % tikslumą kai kuriose vietinėse galaktikose, suteikdama alternatyvą Cepheidams.

2.3 I tipo Supernovos

Kai Cepheidai (ar TRGB) galaktikose tampa inkaro tašku supernovų šviesiams nustatyti, supernovas galima stebėti iki šimtų Mpc atstumo. Lyginant supernovos matuojamą ryškį su išvestu absoliučiu ryškiu, gaunamas atstumas. Suderinus poslinkį (raudonąjį) ir atstumą, lokaliai išvedama H0.

2.4 Vietiniai Matavimai

Riess ir kt. (SHoES) dažnai nustato H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (paklaida ~1,0–1,5%). Freedman ir kt. (TRGB) randa ~69–71 km/s/Mpc – kiek mažiau nei pas Riess, bet vis tiek aukščiau nei Plancko ~67. Tad, nors vietiniai matavimai kiek skiriasi, jie paprastai telkiasi 70–74 km/s/Mpc ruože – daugiau nei ~67 iš Plancko.

3. Ankstyvosios Visatos (KFS) Metodas

3.1 ΛCDM Modelis ir KFS

Kosminė foninė mikrobangų spinduliuotė (KFS), matuota WMAP ar Planck, pagal standartinį ΛCDM kosmologinį modelį, leidžia nustatyti akustinių pikų mastelį ir kitus parametrus. Iš KFS galios spektro pritaikymo gaunamos Ωb h², Ωc h² ir kitos vertės. Jas derinant su plokštumo prielaida bei BAO ar kitais duomenimis, išvedamas H0.

3.2 Plancko Matavimas

Planck bendradarbiavimo galutiniai duomenys paprastai rodo H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (priklausomai nuo priemonių), ~5–6σ mažesnę už vietinių SHoES matavimų. Šis skirtumas, žinomas kaip Hablo įtampa, yra ~5σ lygio, kas rodo, kad tai vargu ar atsitiktinis nukrypimas.

3.3 Kodėl Šis Neatitikimas Svarbus

Jei standartinis ΛCDM modelis teisingas ir Plancko duomenys patikimi, tada vietiniame kopėčių metode turėtų slypėti nežinoma sistematika. Kitu atveju, jeigu vietiniai atstumai teisingi, galbūt ankstyvosios Visatos modelis neužbaigtas – nauja fizika galėtų paveikti kosminę plėtrą arba egzistuoti papildomos reliatyvistinės dalelės ar ankstyvoji tamsioji energija, keičiančios išvedamą H0.

4. Galimos Nesutapimo Priežastys

4.1 Sistematinės Paklaidos Kopėčių Metode?

Įtarimas kyla, ar Cepheidų kalibravime ar supernovų fotometrijoje nepalikta neištaisyta paklaida – pvz., metalingumo įtaka Cepheidams, lokalinė srauto korekcija ar parinkties šališkumas. Vis dėlto stiprus kelių grupių tarpusavio sutikimas sumažina didelės klaidos tikimybę. TRGB metodai taip pat duoda kiek aukštesnį H0, net jei nežymiai žemesnį už Cepheidų, bet vis tiek aukštesnį už Plancko rezultatą.

4.2 Neišspręstos KFS ar ΛCDM Sistematikos?

Kita galimybė – Plancko KFS interpretacijoje pagal ΛCDM trūksta svarbios grandies, pvz.:

  • Išplėstinės neutrinų savybės ar papildomos reliatyvios dalelės (Neff).
  • Ankstyvoji tamsioji energija netoli rekombinacijos.
  • Nekreiviškumas arba laike kintanti tamsioji energija.

Planck nerodo aiškių to ženklų, tačiau kai kuriuose išplėstiniuose modeliuose yra menkų užuominų. Kol kas nė vienas sprendinys pilnai neeliminuoja įtampos be papildomų anomalijų ar padidėjusio sudėtingumo.

4.3 Ar egzistuoja du skirtingi Hablo konstantos dydžiai?

Kai kas siūlo, kad žemame raudonyje Visatos plėtra gali skirtis nuo globalaus vidurkio, jei yra didelių lokalių struktūrų ar nevienalytiškumo (vadinamo „Hubble bubble“). Tačiau matavimai iš įvairių krypčių, kitų kosminių mastų ir bendras vienalytiškumo principas rodo, kad reikšminga lokali tuštuma ar aplinka vargiai paaiškintų šią įtampą.

5. Pastangos Įtampai Spręsti

5.1 Nepriklausomi Metodai

Tyrėjai tikrina alternatyvius vietinius kalibravimus:

  • Maseriai megamaserinėse galaktikose (pvz., NGC 4258) kaip supernovų atstumų inkaras.
  • Stipriojo gravitacinio lęšiavimo laiko uždelsimai (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Paviršiaus ryškio fluktuacijos elipsinėse galaktikose.

Iki šiol šie metodai paprastai rodo H0 reikšmes „aukštų 60-ųjų – žemų 70-ųjų“ diapazone, ne visada identiškas, bet dažniausiai didesnes nei 67. Vadinasi, nėra vieno nepriklausomo metodo, kuris visiškai išsklaidytų įtampą.

5.2 Daugiau Duomenų iš DES, DESI, Euclid

BAO matavimai skirtinguose raudoniuose leidžia atkurti H(z) ir tikrinti, ar nuo z = 1100 (KFS epocha) iki z = 0 pasireiškia nuokrypiai nuo ΛCDM. Jei stebėjimai rodys raudonį, kuriame lokaliai gaunamas didesnis H0, tuo pat metu sutampant su Planck ties dideliu z, tai galėtų reikšti naują fiziką (pvz., ankstyvąją tamsiąją energiją). DESI siekia ~1 % atstumų matavimo tikslumo keliuose raudoniuose, galinčio padėti aiškiau suprasti kosminės plėtros eigą.

5.3 Kitos Kartos Atstumų Kopėčia

Vietinės komandos toliau tobulina paralaksų kalibravimą pasitelkdamos Gaia duomenis, gerina Cepheidų nulinį tašką ir peržiūri supernovų fotometrijos sistematines klaidas. Jei įtampa išliks mažesnėmis paklaidomis, galimybė naujai fizikai už ΛCDM modelio didėja. Jei įtampa išnyks – tai patvirtins ΛCDM solidumą.

6. Reikšmė Kosmologijai

6.1 Jeigu Planck Teisus (Mažas H0)

Maža H0 ≈ 67 km/s/Mpc dera su standartiniu ΛCDM nuo z = 1100 iki dabar. Tuomet vietiniai kopėčių metodai būtų sistemingai klaidingi, arba gyvename neįprastoje lokacijoje. Toks scenarijus rodo ~13,8 mlrd. metų Visatos amžių, o stambaus mastelio struktūros prognozės sutinka su galaktikų sankaupų duomenimis, BAO ir lęšiavimu.

6.2 Jeigu Vietinė Kopėčia Teisi (Didelis H0)

Jei H0 ≈ 73 pasitvirtintų, tuomet Planck modelio \(\Lambda\)CDM aiškinimas nepilnas. Gali prireikti:

  • Papildomos ankstyvosios tamsiosios energijos, laikinai spartinusios plėtrą iki rekombinacijos ir taip keičiančios pikų kampus, todėl Plancko išvesta H0 reikšmė yra sumažėjusi.
  • Daugiau reliatyvistinių laisvės laipsnių ar naujos neutrinų fizikos.
  • Atitolimo nuo prielaidos, kad Visata plokščia ir griežtai aprašoma tik \(\Lambda\)CDM.

Tokia nauja fizika galėtų išspręsti įtampą, nors reikalautų sudėtingesnio modelio. Tai galima tikrinti kitais duomenimis (KFS lęšiavimu, struktūrų augimo rodikliais, nukleosinteze).

6.3 Ateities Perspektyvos

Įtampa skatina imtis naujų kryžminių patikrų. CMB-S4 ar aukštesnės kartos kosminio šlyšio tyrimai gali patikrinti, ar struktūrų augimas atitinka didelį ar mažą H0. Jei įtampa išlieka ~5σ lygiu, bus stipri užuomina, kad standartinį modelį reikia plėsti. Teoriniai proveržiai ar naujai surastos klaidos galiausiai galėtų lemiamai išspręsti klausimą.

7. Išvada

Hablo konstantos (H0) matavimas – tai kosmologijos šerdis, jungiantis vietinius plėtimosi stebėjimus su ankstyvosios Visatos modeliais. Dabartiniai metodai pateikia dvi skirtingas vertes:

  1. Vietinė atstumų kopėčia (naudojant Cepheidus, TRGB, supernovas) dažniausiai rodo H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. KFS pagrįstas ΛCDM, taikant Plancko duomenis, duoda H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Ši „Hablo įtampa“, apie 5σ reikšmingumo lygio, rodo nežinomas sistematines klaidas kuriame nors metode arba naują fiziką už įprasto ΛCDM. Tęsiami paralakso (Gaia), supernovų nulinio taško, lęšiavimo laiko vėlavimų bei aukšto raudonio BAO patobulinimai tikrina visas hipotezes. Jei įtampa išliks, tai gali parodyti egzotinius sprendimus (ankstyvąją tamsiąją energiją, papildomus neutrinus ir pan.). Jei įtampa sumažės, patvirtinsime ΛCDM tvirtumą.

Bet kuris scenarijus ryškiai veikia mūsų kosminę istoriją. Įtampa skatina naujas stebimųjų kampanijas (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) ir pažangius teorinius modelius, pabrėždama šiuolaikinės kosmologijos dinamiką – kai tikslūs duomenys ir ilgalaikiai neatitikimai veda mus į bandymą sujungti ankstyvąją ir dabartinę Visatą į vieną išsamų paveikslą.

Literatūra ir Papildoma Skaityba

  1. Riess, A. G., et al. (2016). „A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant.“ The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). „Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters.“ Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). „The Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. An Independent Determination of the Hubble Constant Based on the Tip of the Red Giant Branch.“ The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). „Tensions between the early and the late Universe.“ Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). „Hubble constant hunters guide.“ Physics Today, 73, 38.
Grįžti į tinklaraštį