Кратко, по пунктам.
1) Суть напряжения
- Локальные прямые измерения даёт $H_0^{\mathrm{local}}\simeq 73\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$, а вывода из ранней Вселенной (Планк+ΛCDM) — $H_0^{\mathrm{CMB}}\simeq 67.4\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$. Разница ~$\sim 5.6\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$ ($\sim 9\%$), статистическая значимость на сегодня оценивается несколькими сигмами в зависимости от наборов данных.
2) Физические модификации (коротко — механизм и наблюдательный признак)
- Ранняя тёмная энергия (Early Dark Energy, EDE): временный вклад энергии до/при рекомбинации, уменьшает звуковой радиус $r_s$ => повышает $H_0$ из CMB. Подпись: модификация высоких $\ell$ CMB, изменение форма BAO при разных z. Типичный параметр: фракция в момент пика $f_{\mathrm{EDE}}\sim 0.03-0.1$.
- Дополнительные реликтовые частицы / повышенное число релативистических степеней свободы: изменение $N_{\mathrm{eff}}$ (e.g. лёгкие стерильные нейтрино, тёмные радиа); эффект — более быстрая ранняя экспансия, сжатие $r_s$. Подпись: CMB damping tail и BBN-предсказания ($N_{\mathrm{eff}}$ измеряется из CMB и первичной нуклеосинтеза).
- Изменяемая тёмная энергия / динамический $w(z)$: изменение поздней экспансии; может менять H(z) без трогания $r_s$. Подпись: отклонение в SN Ia и BAO на разных z, рост структур.
- Взаимодействующая тёмная материя/тёмная энергия: обмен энергии/импульса влияет на расширение и рост; подпись — несовместимость между геометрическими и динамическими тестами (weak lensing, RSD).
- Распад/аннигиляция тёмной материи в ранней Вселенной: нагревает плазму, влияет на рекомбинацию и форму CMB, меняет $r_s$.
- Модифицированная гравитация (MG): изменение связи между геометрией и динамикой (например, скалярные тензоры), подпись — различие между измерениями роста структуры и геометрии (γ-параметр, слабое линзирование).
- Пространственная неоднородность (вакуум большой пустоты вокруг нас): локальная ненулевая крупномасштабная неоднородность может смещать локальный H0; подпись — дипольные/потенциально асимметричные потоки скоростей и наблюдаемая зависимость H0 от глубины выборки.
3) Систематические ошибки
- Калировка лестницы расстояний: нулевой пункт параллакса (Cepheids, Gaia), систематика в фотометрическом нуле, трансформация между инструментами, влияние металличности и внутреннего затухания на переменные звёзды.
- Стандартные свечи (SN Ia): эволюция световых кривых/популяций, отбор на обнаружение, средний эффект хоста, кросс-калибровка фильтров.
- TRGB и масеры: ограниченное число объектов, систематические ошибки в моделях звёзд/контрасте.
- BAO/CMB: ошибки в моделировании рекомбинации (атомная физика), некорректное учёт малых систематик в Planck/polarization, нелинейность/сдвиги в BAO и восстановление.
- Пекулярные скорости и локальные потоки: влияние на низкозначимые (низкие z) измерения H0.
- Выборочные эффекты, шаблоны анализа, недооценённые статистические ошибки (например, плохая учётка корреляций между датасетами).
4) Какие наблюдения наиболее диагностичны (что и почему)
- Гравитационно-волновые «стандартные сирены» (binary neutron star с электромагнитным контрпартнёром и «dark sirens»):
- Прямая абсолютная дистанция без лестницы; текущая точность ~несколько десятых — процентов; оценка: несколько десятков событий могут дать $H_0$ с точностью $\sim 1\%$ (сеть LIGO/Virgo/KAGRA в ближайшее десятилетие), третье поколение детекторов — доли процента.
- Диагностичность: независимая проверка локального H0, чувствительна к систематике лестницы.
- Улучшенная локальная лестница (Gaia, JWST, масеры, TRGB):
- Gaia финальные параллаксы и JWST увеличат контроль над Cepheids/TRGB, цель — систематика ≤$\sim 1\%$ в H0.
- Диагностичность: сокращение/исключение систематик в локальных методах.
- CMB (CMB-S4, Simons Observatory) и BBN/спектроскопия первичной абундации:
- Улучшат измерения $N_{\mathrm{eff}}$ и параметры рекомбинации; ожидаемая чувствительность $\sigma (N_{\mathrm{eff}})\sim 0.03-0.05$.
- Диагностичность: прямо тестируют EDE/доп. релативистические компоненты и изменения $r_s$.
- Большие краснозвёздные обзоры (DESI, Euclid, Rubin/LSST):
- BAO, RSD, слабое линзирование, SN Ia на больших объёмах; точность H(z)/геометрии на разных z до долей процента.
- Диагностичность: проверка согласованности геометрии (BAO+SN) и роста (RSD, WL) — отличить MG/взаимодействия от модификаций ранней Вселенной.
- 21-cm космология (первичный период и тёмные века):
- Прямой доступ к ранним эпохам и возможным источникам энергии; чувствительна к любым энергопоступлениям до рекомбинации.
- Нейтринные и лабораторные измерения:
- Космологические ограничения на массу нейтрино и измерения $N_{\mathrm{eff}}$ совместно с лабораторией (KATRIN, нейтринные эксперименты) ограничивают сценарии с дополнительной радиацией.
- Диагностичность: проверка физических кандидатов (например, стерильно́го нейтрино).
- Комбинация многопробных подходов:
- Согласованность между независимыми «геометрическими» (siren, maser, parallax), «ранними» (CMB, BBN) и «динамическими» (growth, WL) показывает источник: если проблема остаётся только в лестнице — систематика; если ранняя физика меняется — CMB/BBN/BAO+21cm должны показать следы.
5) Оценка приоритетов (какие наблюдения решат проблему быстрее)
- Наиболее прямой/независимый тест локального H0: стандартные сирены + масеры + окончательные Gaia/JWST параллаксы (первый уровень).
- Наиболее мощный тест ранних модификаций: CMB-S4 + детальные BAO (DESI/Euclid) + BBN/абундации (второй уровень) — способны отвергнуть/подтвердить EDE и изменение $N_{\mathrm{eff}}$.
- Для отделения модификаций гравитации/роста структуры: LSST/Euclid (WL, RSD) в сочетании с BAO и CMB (третий уровень).
- Для поиска редких/новых каналов (энергопоступления до рекомбинации): 21-cm и точные спектры CMB на высоких $\ell$.
6) Вывод (кратко)
- Если напряжение исчезнет после улучшения локальной калибровки — виноваты систематики лестницы. Если оно останется и параллельно появятся отклонения в CMB/BBN/BAO (например ненулевая $\Delta N_{\mathrm{eff}}$ или признаки EDE) — нужна ранняя физика. Комбинация независимых измерений (стандартные сирены, финальные параллаксы, CMB-S4, DESI/Euclid/LSST, 21-cm) — обеспечит однозначную диагностику в ближайшие 5–10 лет.
Если нужно, могу привести компактную таблицу кандидатов + их характерные подписи и ожидаемую чувствительность будущих экспериментов.