Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Měření, jak určit Hubbleovu konstantu: Napětí

Neshody mezi místními a ranými měřeními vesmíru, které vyvolávají nové kosmologické otázky

Proč H0 důležité

Hubbleova konstanta (H0) popisuje současnou rychlost rozpínání vesmíru, obvykle vyjádřenou v kilometrech za sekundu na megaparsek (km/s/Mpc). Přesné určení H0 v kosmologii je velmi důležité, protože:

  1. Udává věk vesmíru, pokud extrapolujeme expanzi zpět v čase.
  2. Kalibruje měřítko vzdáleností pro další kosmická měření.
  3. Pomáhá vyřešit nejednoznačnosti kosmologických parametrů (např. hustoty hmoty, parametrů temné energie).

Astronomové tradičně měří H0 dvěma různými způsoby:

  • Místní (žebříčková) metoda: Začíná paralaxou pro Cepheidy nebo TRGB (vrchol červených obrů), později se používají supernovy typu I. Tak se získává přímá rychlost expanze ve relativně blízkém vesmíru.
  • Metoda raného vesmíru: H0 je odvozen z dat kosmického mikrovlnného pozadí (KFS) podle zvoleného kosmologického modelu (ΛCDM) a baryonových akustických oscilací (BAO) či jiných omezení.

V posledních letech tyto dvě metody dávají významně odlišné hodnoty H0: vyšší (~73–75 km/s/Mpc) z místní metody a nižší (~67–68 km/s/Mpc) z výpočtů založených na KFS. Tento nesoulad, nazývaný „Hubbleovo napětí“, naznačuje buď novou fyziku mimo standardní ΛCDM, nebo dosud nevyřešené systematické chyby v jedné či obou metodikách.

2. Místní žebříček vzdáleností: princip kroků

2.1 Paralaxa a kalibrace

Základem místního žebříčku vzdáleností je paralaxa (trigonometrická) pro blízké objekty (mise Gaia, HST paralaxy Cepheidů apod.). Paralaxa určuje absolutní měřítko pro standardní svítivosti jako jsou Cepheidy, které mají dobře popsaný vztah mezi periodou a jasem.

2.2 Cepheidy a TRGB

  • Cepheidy: Hlavní krok při kalibraci vzdálených ukazatelů, např. supernov typu I. Freedman a Madore, Riess a kol. (tým SHoES) a další zdokonalili místní kalibraci Cepheidů.
  • Vrchol červených obrů (TRGB): Další metoda využívající jas hvězd červených obrů při zapálení helia (v metal-chudých populacích). Carnegie–Chicago tým (Freedman a kol.) dosáhl ~1 % přesnosti v některých místních galaxiích, čímž poskytl alternativu k Cepheidům.

2.3 Supernovy typu I

Když se Cepheidy (nebo TRGB) v galaxiích stanou kotvou pro určení jasnosti supernov, lze supernovy pozorovat až do stovek Mpc. Porovnáním měřeného jasu supernovy s odvozeným absolutním jasem se získá vzdálenost. Kombinací posuvu (rudého) a vzdálenosti se lokálně odvozuje H0.

2.4 Místní měření

Riess a kol. (SHoES) často stanoví H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (chyba ~1,0–1,5%). Freedman a kol. (TRGB) nacházejí ~69–71 km/s/Mpc – o něco méně než Riess, ale stále více než Planckových ~67. Takže, i když se místní měření mírně liší, obvykle se soustředí v rozmezí 70–74 km/s/Mpc – více než ~67 z Plancku.

3. Metoda raného vesmíru (CMB)

3.1 Model ΛCDM a CMB

Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB), měřené WMAP nebo Planckem, podle standardního ΛCDM kosmologického modelu umožňuje určit měřítko akustických špiček a další parametry. Z aplikace spektra výkonu CMB se získávají hodnoty Ωb h², Ωc h² a další. Kombinací s předpokladem plochosti a daty BAO či jinými se odvozuje H0.

3.2 Planckovo měření

Planck spolupráce konečná data obvykle ukazují H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (v závislosti na použitých nástrojích), což je ~5–6σ nižší než lokální měření SHoES. Tento rozdíl, známý jako Hubbleovo napětí, je na úrovni ~5σ, což naznačuje, že se pravděpodobně nejedná o náhodnou odchylku.

3.3 Proč je tento nesoulad důležitý

Pokud je standardní model ΛCDM správný a data Plancku spolehlivá, pak by v lokální metodě vzdálenostních žebříků měla být neznámá systematika. Jinak, pokud jsou lokální vzdálenosti správné, může být model raného vesmíru neúplný – nová fyzika by mohla ovlivnit kosmickou expanzi nebo existovat další relativistické částice či raná temná energie, které mění odvozenou hodnotu H0.

4. Možné příčiny nesouladu

4.1 Systematické chyby v metodě vzdálenostních žebříků?

Vzniká podezření, zda v kalibraci Cepheidů nebo fotometrii supernov nezůstala neopravená chyba – např. vliv metalicity na Cepheidy, lokální proudová korekce nebo výběrová zaujatost. Silná vzájemná shoda několika skupin však snižuje pravděpodobnost velké chyby. Metody TRGB také dávají o něco vyšší H0, i když mírně nižší než Cepheidy, ale stále vyšší než Planckův výsledek.

4.2 Nevyřešené systematiky CMB nebo ΛCDM?

Další možností je, že v interpretaci Planckových CMB podle ΛCDM chybí důležitý článek, např.:

  • Rozšířené vlastnosti neutrin nebo další relativistické částice (Neff).
  • Raný temná energie blízko rekombinace.
  • Neplochost nebo časově proměnná temná energie.

Planck neukazuje jasné známky, ale v některých rozšířených modelech jsou slabé náznaky. Zatím žádné řešení plně nevylučuje napětí bez dalších anomálií nebo zvýšené složitosti.

4.3 Existují dvě různé hodnoty Hubbleovy konstanty?

Někteří navrhují, že expanze vesmíru v nízkém červeném posuvu se může lišit od globálního průměru, pokud existují velké lokální struktury nebo nehomogenity (tzv. "Hubble bubble"). Měření z různých směrů, na různých kosmických škálách a obecný princip homogenity však ukazují, že významná lokální prázdnota nebo prostředí sotva vysvětlí toto napětí.

5. Snahy o vyřešení napětí

5.1 Nezávislé metody

Výzkumníci testují alternativní lokální kalibrace:

  • Mazery v megamazerových galaxiích (např. NGC 4258) jako kotva vzdáleností supernov.
  • Časové zpoždění silného gravitačního čočkování (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluktuace povrchové jasnosti v eliptických galaxiích.

Dosud tyto metody obvykle ukazují H0 hodnoty v rozmezí „vysokých 60. let – nízkých 70. let“, ne vždy shodné, ale většinou vyšší než 67. To znamená, že neexistuje jediná nezávislá metoda, která by napětí zcela rozptýlila.

5.2 Více dat z DES, DESI, Euclid

BAO měření v různých červených posuvech umožňují rekonstruovat H(z) a testovat, zda od z = 1100 (epochy KFS) do z = 0 dochází k odchylkám od ΛCDM. Pokud pozorování ukážou červený posuv, kde je lokálně vyšší H0, současně s Planckem při vysokém z, mohlo by to znamenat novou fyziku (např. časnou temnou energii). DESI cílí na ~1 % přesnost měření vzdáleností v několika červených posuvech, což pomůže lépe pochopit průběh kosmické expanze.

5.3 Další generace vzdálenostních schodišť

Lokální týmy dále vylepšují kalibraci paralax pomocí dat Gaia, zlepšují nulový bod Cepheid a přehodnocují systematické chyby fotometrie supernov. Pokud napětí přetrvá i při menších chybách, roste možnost nové fyziky za modelem ΛCDM. Pokud napětí zmizí – potvrdí to pevnost ΛCDM.

6. Hodnota pro kosmologii

6.1 Pokud má Planck pravdu (Nízké H0)

Nízké H0 ≈ 67 km/s/Mpc odpovídá standardnímu ΛCDM od z = 1100 do současnosti. Pak by lokální metody schodiště byly systematicky chybné, nebo žijeme na neobvyklém místě. Tento scénář ukazuje stáří vesmíru ~13,8 miliard let a předpovědi velkorozměrové struktury souhlasí s daty o shlucích galaxií, BAO a čočkování.

6.2 Pokud je Lokální Schodiště Správné (Vysoké H0)

Pokud H0 ≈ 73 by bylo potvrzeno, pak by Planckův model \(\Lambda\)CDM nebyl úplný. Může být potřeba:

  • Další časná temná energie, která dočasně zrychlovala expanzi až do rekombinace a tím měnila polohy vrcholů, což vede ke snížení hodnoty H0 odvozené Planckem.
  • Více relativistických stupňů volnosti nebo nová fyzika neutrin.
  • Odstoupení od předpokladu, že vesmír je plochý a přísně popsaný pouze \(\Lambda\)CDM.

Taková nová fyzika by mohla vyřešit napětí, i když by vyžadovala složitější model. To lze ověřit dalšími daty (čočkování KFS, ukazateli růstu struktur, nukleosyntézou).

6.3 Výhled do budoucna

Napětí podněcuje nové křížové kontroly. Výzkumy CMB-S4 nebo vyšší generace kosmického mikrovlnného pozadí mohou ověřit, zda růst struktur odpovídá vysoké nebo nízké hodnotě H0. Pokud napětí zůstane na úrovni ~5σ, bude to silný náznak, že je třeba rozšířit standardní model. Teoretické průlomy nebo nově objevené chyby by nakonec mohly rozhodujícím způsobem vyřešit otázku.

7. Závěr

Měření Hubbleovy konstanty (H0) je kosmologickým jádrem, spojujícím lokální expanzní pozorování s modely raného vesmíru. Současné metody poskytují dvě odlišné hodnoty:

  1. Místní vzdálenostní žebřík (používající Cepheidy, TRGB, supernovy) obvykle ukazuje H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM založený na KFS s využitím dat Plancka dává H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Toto „Hubbleovo napětí“, na úrovni přibližně 5σ, naznačuje neznámé systematické chyby v některé z metod nebo novou fyziku mimo standardní ΛCDM. Probíhající vylepšení paralaxy (Gaia), nulového bodu supernov, zpoždění čočkování a vysokého červeného posuvu BAO testují všechny hypotézy. Pokud napětí přetrvá, může to ukázat exotická řešení (raná temná energie, dodatečné neutrina atd.). Pokud se napětí sníží, potvrdí se pevnost ΛCDM.

Každý scénář výrazně ovlivňuje náš kosmický příběh. Napětí podněcuje nové pozorovací kampaně (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) a pokročilé teoretické modely, zdůrazňující dynamiku moderní kosmologie – kdy přesná data a dlouhodobé nesrovnalosti nás vedou k pokusu spojit raný a současný vesmír do jednoho komplexního obrazu.

Literatura a další čtení

  1. Riess, A. G., et al. (2016). „Určení lokální hodnoty Hubbleovy konstanty s přesností 2,4 %.“ The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). „Výsledky Planck 2018. VI. Kosmologické parametry.“ Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). „Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. Nezávislé určení Hubbleovy konstanty založené na špičce červených obrů.“ The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). „Napětí mezi raným a pozdním vesmírem.“ Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). „Průvodce lovci Hubbleovy konstanty.“ Physics Today, 73, 38.
Návrat na blog