Кратко: текущий «напряжение Хаббла» — расхождение между локальными измерениями и значением, выведённым из CMB+ΛCDM. Типичные числа: локальная лестница (Riess et al.) $H_0\approx 73.2\pm 1.3\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$, Planck (CMB, ΛCDM) $H_0\approx 67.4\pm 0.5\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$. Разность $\Delta H_0\approx 5.8\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$ при суммарной погрешности ${\sigma }_{\mathrm{tot}}=\sqrt{1.3^2+0.5^2}\approx 1.4$ даёт напряжение порядка $\Delta H_0/{\sigma }_{\mathrm{tot}}\approx 4.2\sigma$ (в зависимости от наборов данных оценка варьирует $\sim 4-6\sigma$).
1) Возможные систематические ошибки (суть и как проверить)
- Калибровка лестницы расстояний (цефеиды → SNe Ia):
- Проблемы: неполная учёт металличности, уклонений в пластичности цефеид/период–светимость, систематические ошибки в фотометрии и трансформациях фильтров.
- Тесты: независимая калибровка параллаксами Gaia DR3/DR4 и отдельными геометрическими расстояниями (лазерный интерферометр, водеяные масеры в NGC4258), использование TRGB и Miras вместо цефеид, сравнение результатов по разным подборкам SNe.
- Погрешности в стандартизации SNe Ia:
- Проблемы: эволюция популяции, смешение с подклассамы, недоучтённая пылевая экранировка.
- Тесты: выбираемые подвыборки (старые/новые хосты), спектральная стандартизация, инфракрасные наблюдения (меньше влияния пыли).
- Погрешности в CMB/ΛCDM реконструкции:
- Проблемы: ненадёжные предположения о модели (фиксированная составность), неопознанные систематики в Planck (калибровка, BEAM, обработка поляризации).
- Тесты: независимые CMB миссии (ACT, SPT-3G, будущие CMB-S4), внутренняя согласованность поляризации/температуры, пересчёт с свободными параметрами.
- Бездольные систематики в BAO/звучащем горизонте $r_d$:
- Проблемы: допущения о ранней физике, используемой для превращения BAO в $H_0$.
- Тесты: прямые геометрические измерения независимые от $r_d$ (масеры, стандарты сирен), BAO на разных z и Lyman-α.
- Антисистематические эффекты локальной среды:
- Проблемы: локальная пустота (void) или другие большие масштабные флуктуации, приводящие к местному увеличению H0.
- Тесты: карты плотности галактик, независимые измерения потока скоростей (peculiar velocity surveys), проверка масштабовой однородности на сотнях Мпс.
2) Новые физические сценарии (кратко, механизм и характерные сигнатуры)
- Ранняя тёмная энергия (Early Dark Energy, EDE):
- Механизм: дополнительная компонентa в ранней вселенной, увеличивающая скорость расширения до рекомбинации, уменьшает звуковой радиус $r_s$, что при фиксированных угловых масштабах CMB повышает выводимый $H_0$.
- Сигнатуры: модификация CMB damping tail и поляризации, изменения в мелкомасштабном спектре плотности; возможный конфликт с LSS (σ8) — требует точной настройки.
- Увеличенное число релятивистических степеней свободы ($N_{\mathrm{eff}}$, «скрытые нейтрино»):
- Механизм: доп. радиация увеличивает скорость расширения в плазменную эпоху → уменьшение $r_s$.
- Сигнатуры: повышение $N_{\mathrm{eff}}$ заметно в CMB (высокое-ℓ), согласованность с BBN (первичный $Y_p$, D/H); влияет на структуру на малых масштабах.
- Интерактивная/самовзаимодействующая тёмная материя или тёмная радиация:
- Механизм: взаимодействия меняют рост возмущений и рекомбинационные процессы, могут эффективно симулировать эффекты EDE или $N_{\mathrm{eff}}$.
- Сигнатуры: изменённый рост структур (RSD, слабое линзирование), конкр. форма спектра мощностей.
- Распадающаяся/переходящая тёмная материя:
- Механизм: часть тёмной материи распадается в ранней/поздней эпохе, меняя экспансию и рост.
- Сигнатуры: изменение истории роста, потенциально особенности в малых z, эффекты на кластеры и слабое линзирование.
- Модифицированная гравитация на больших масштабах:
- Механизм: отклонение от GR меняет зависимость между геометрией и ростом структур, позволяя разные H0 в геометрических и динамических измерениях.
- Сигнатуры: несогласованность между геометрическими (SNe, BAO) и динамическими (RSD, слабое линзирование) тестами; особенные скейл-зависимые смещения роста.
- Локальная неоднородность (void):
- Механизм: мы находимся в большом подостровке с меньшей плотностью → локально быстрее расширение.
- Сигнатуры: наблюдаемые потоки скоростей, согласованные изменения H(z) в межзонных измерениях; требуется большой объём пустоты (маловероятно по ΛCDM).
- Эффекты реконфигурации recombination physics (например, неожиданные изменения рекомбинации):
- Механизм: изменяют форму CMB и $r_s$ без ввода новой плотности.
- Сигнатуры: характерные изменения линии рекомбинации — проверяемы высокой-точностью CMB и спектральными искажениями.
3) Наблюдения и измерения, которые помогут отличить причины
- Независимая геометрическая калибровка лестницы:
- Gaia параллаксы высоких точностей (DR4/DR5) для цефеид и TRGB; увеличение числа точечных масеров (NGC4258 и новые) и их точность.
- Что отличает: систематики лестницы уменьшатся или подтвердятся; если H0 от лестницы опустится — виноваты систематики.
- TRGB, Miras, Surface Brightness Fluctuations как альтернативные якоря:
- Сравнение H0 из разных индикаторов даст ключ к цефеид-систематике.
- Стандартные сирены (GWs):
- Набор BNS с EM- counterpart (или статистические сирены с каталогами) от LIGO/Virgo/KAGRA/Einstein Telescope → прямые независимые меры $H_0$.
- Что отличает: независимость от $r_s$ и лестницы — поможет установить, ближе ли локальный H0 к 73 или 67.
- Времяопаздывающие сильные гравитационные линзы (time-delay lenses):
- Улучшенные модели линз, расширенные образцы (H0LiCOW, TDCOSMO) и высокая разрешающая способность для картирования среды.
- Что отличает: геометрическое измерение H0, чувствительное к систематикам моделирования масс — если согласовано с 73 → усиление напряжения с CMB.
- BAO в разных z и реконструкция звукового радиуса:
- BAO на низких (eBOSS, DESI) и высоких z (Lyman-α) дадут форму H(z) и constrain $r_d$. Консистентность BAO+CMB логична для новых ранних физик, несогласованность — проблемы с $r_d$ или BAO.
- Более точный CMB (поляризация, damping tail):
- ACT, SPT-3G, CMB-S4 — тесты EDE и $N_{\mathrm{eff}}$ через изменения мелкомасштабного спектра и поляризации.
- Что отличает: EDE даёт характерные сигнатуры в high-ℓ TT/EE и в ленте мощности; $N_{\mathrm{eff}}$ меняет фазу колебаний и амплитуды.
- BBN и измерения приморд. изотопов (D/H, $Y_p$):
- Совместимость $N_{\mathrm{eff}}$ и BBN критиальна; несогласованность укажет на сложные сценарии.
- Рост структур и слабое гравитационное линзирование:
- RSD (eBOSS, DESI), слабое линзирование (DES, KiDS, LSST, Euclid) и кластерные наблюдения проверят влияние новых сценариев на σ8 и рост.
- Что отличает: модиф. гравитации/интерактивной тёмной материи меняют рост без однозначного изменения $r_s$.
- Прямые измерения H(z) (cosmic chronometers):
- Непосредственные измерения скорости расширения через возраст галактик; независимы от лестницы и BAO $r_d$.
- Что отличает: даст H(z) на промежуточных z — поможет локализовать эпоху несогласия (ранняя vs поздняя).
- Большие статистики SNe и детальные исследования хостов:
- Разделение эволюционных эффектов SNe; инфракрасные наблюдения уменьшат пылевые систематики.
- Спектральные искажения CMB и 21‑см:
- В некоторых сценариях ранней энергии могут появиться малые спектральные искажения или эффекты на 21‑см сигнал; новые эксперименты (PIXIE, EDGES-подобные) могут добавить ограничения.
4) Как интерпретировать результаты
- Если независимые геометрические методы (masers, GW, strong lenses с разными методами) подтверждают высокий H0 → вероятность новой физики (EDE, $N_{\mathrm{eff}}$, др.) возрастает.
- Если альтернативные якоря (TRGB, Gaia) приводят H0 вниз к Planck → скорее систематики лестницы.
- Если CMB/BAO пересчёт с расширенными параметрами (свободный $N_{\mathrm{eff}}$, EDE) даёт согласованный H0, но при этом предсказывает несоответствия в LSS/BBN, то модель проблемна — нужна согласованность по всем наборам.
- Если изменения видны только в росте структур (σ8 tensions) — это укажет на модифицированную динамику (модиф. гравитация или взаимодействия), а не на изменение $r_s$.
Короткое резюме: ключ — независимые, геометрические измерения $H_0$ (masers, GW, time-delay lenses), строгие проверки лестницы (Gaia, TRGB, IR SNe), и высокоточные CMB + LSS + BBN ограничения. Комбинация этих наблюдений позволит отделить систематики от новых физических механизмов (EDE, $N_{\mathrm{eff}}$, взаимодействия тёмной компоненты или модификации гравитации).