Плотности энергии предлагают новый путь к разрешению напряженности Хаббла

График амплитуды BAO против барионной доли. Автор: Alex Krolewski et al, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/PhysRevD.111.063526

Исследователи из Университета Ватерлоо предложили новый метод измерения постоянной Хаббла, который может помочь решить одну из актуальных загадок современной космологии: напряжение Хаббла.

Phys.org поговорил с первым автором исследования, доктором Алексом Кролевски, научным сотрудником Университета Ватерлоо.

«Напряжение Хаббла между ранними, крупномасштабными и локальными, поздними измерениями скорости расширения Вселенной теперь достигло уровня 5 сигм! Вероятность случайного возникновения этого события составляет менее 0,0000003», — пояснил доктор Кролевски.

Метод лестницы расстояний дает значение 73 км/с/Мпк (километров в секунду на мегапарсек), тогда как метод CMB дает 67 км/с/Мпк. Эта разница существенна и указывает на пробел в нашем понимании.

Звуковой горизонт

Метод лестницы расстояний использует близкие объекты, такие как переменные звезды цефеиды и сверхновые типа 1a, в качестве свечей, т. е. объекты, яркость которых нам известна. Измеряются расстояния до этих объектов и их красные смещения, которые можно использовать для расчета постоянной Хаббла.

С другой стороны, методы, использующие CMB, опираются на звуковой горизонт, стандартную меру в космологии. Это мера максимального расстояния, пройденного звуковыми волнами в ранней Вселенной до разделения света и материи.

Эти подходы требуют от исследователей делать предположения относительно модели ΛCDM, лучшей космологической модели Вселенной на сегодняшний день.

Это побудило исследователей изменить физику ранней Вселенной, чтобы уменьшить звуковой горизонт, что увеличивает значение постоянной Хаббла, полученное из данных CMB, уменьшая расхождение. Проблема здесь заключается в зависимости от звукового горизонта и, следовательно, модели ΛCDM. Доктор Кролевски и его команда стремились устранить эту проблему.

«Вместо этого наш новый метод оценивает общую плотность энергии Вселенной или критическую плотность, которая напрямую связана со скоростью расширения. Как сказал Джон Арчибальд Уилер, «Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться», — пояснил доктор Кролевски.

Измерения барионной фракции

Подход исследователей представляет собой совершенно новый метод измерения постоянной Хаббла с помощью наблюдений крупномасштабных структур с малым красным смещением, независимых от звукового горизонта.

Их метод объединяет четыре независимых измерения для расчета постоянной Хаббла.

Это физическая плотность фотонов, полученная из температуры реликтового излучения, отношение барионов к фотонам, полученное из первичного содержания дейтерия, барионная фракция, полученная из амплитуды барионных акустических колебаний в кластеризации галактик, и геометрическая плотность материи, полученная из измерений Олкока-Пачинского.

«Наш метод основан на бутстрэппинге от хорошо известных плотностей энергии фотонов и обычной материи к полной плотности энергии Вселенной», — сказал доктор Кролевски.

Инновация их метода заключается в извлечении барионной доли из данных о кластеризации галактик — параметра, который обычно упускается из виду в стандартных анализах.

Это измерение обозначает отношение обычной (или барионной) материи к общей материи (включая темную материю) во Вселенной. Этот параметр был бы равен единице, если бы вся материя во Вселенной была барионной, и нулю, если бы вся материя была темной материей.

Подход звукового горизонта использует данные о распределении барионных акустических колебаний (BAO), которые являются рябью в распределении материи. С другой стороны, измерение барионной фракции фокусируется на силе этой ряби, что делает его независимым от звукового горизонта.

Ужесточение ограничений

Исследователи использовали свой подход без звукового горизонта и проверили его на данных спектроскопического исследования барионных колебаний (BOSS DR12) Слоановского цифрового обзора неба.

Их метод дал значение постоянной Хаббла 67,1 км/с/Мпк с неопределенностью +6,3/−5,3. Это значение согласуется с обоими измерениями и, следовательно, не благоприятствует ни одной из сторон напряжения.

«Мы протестировали наш метод на имитационных обзорах галактик с различными космологическими моделями и обнаружили, что нам всегда удавалось восстановить правильное значение скорости расширения. В целом наш метод очень устойчив к систематическим неопределенностям», — отметил доктор Кролевски.

Хотя их выводы не решают окончательно проблему напряженности, вызванную телескопом Хаббла, ожидается, что будущие исследования, такие как с помощью спектроскопического инструмента темной энергии (DESI) и спутника Euclid, позволят улучшить ограничения.

«DESI и Euclid будут измерять характеристику BAO в распределении галактик с точностью менее процента. При такой точности мы можем измерять амплитуду BAO с гораздо большей точностью, чем сегодня. Имея полные данные от DESI и Euclid, мы можем различать локальные и реликтовые значения для скорости Хаббла», — заключил доктор Кролевски.

Больше информации: Alex Krolewski et al, New Method to Determine the Hubble Parameter from Cosmological Energy-Density Measurements, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.101002. On arXiv: arxiv.org/html/2403.19227v2
Alex Krolewski et al, Measuring the baryon fraction using galaxy clustering, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/PhysRevD.111.063526