Кратко — сначала принцип и свойства методов, затем причины «напряжённости» H0.
1) Общая основа
- Хаббловский закон: $v=H_{0}d$. Для наблюдений используют расстояние через модуль расстояния $\mu =m-M=5{\log }_{10}(d/10\mathrm{pc})$ или через люминозное расстояние $d_L(z)=(1+z){\int }_0^z\frac{cd{z}^{\prime }}{H(z^{\prime })}$.
2) Цефеиды
- Принцип: стандартные свечи по закону Левитта (период—светимость): $M=a{\log }_{10}P+b$.
- Дальность: до $\sim$30 Мпк с HST/Gaia (можно использовать как звенья лестницы).
- Точность: хорошая внутренняя точность (несколько процентов) при корректной калибровке.
- Основные систематики: калибровочные якори (параллаксы Gaia, расстояние до LMC, масеры), влияние металличности, межзвёздное поглощение, засветка/переплетение звёзд в спиральных рукавах.
3) Сверхновые Ia
- Принцип: стандартизованные по форме светового кривой/цвету (например SALT2): принято, что после поправок их абсолютная величина близка к постоянной.
- Дальность: до $z\sim 1$ и дальше — ключевой дальний якорь для H0 через локальную калибровку цефеидами.
- Точность: статистически высока (несколько процентов при большом наборе), но чувствительна к систематикам.
- Систематики: эволюция свойств SN с z, зависимость от окружения хозяина, кросс-калибровка фотометрики и фильтров, селекционные сдвиги (Malmquist), ошибки в локальной калибровке (ценральное место в современной дискуссии).
4) Tully–Fisher (TF)
- Принцип: связь между скоростью вращения и абсолютной величиной спиральной галактики: $M=\alpha {\log }_{10}{V}_{\text{rot}}+\beta$.
- Дальность: десятки — сотни Мпк; применим для больших выборок в локальной Вселенной.
- Точность: хуже SN Ia и цефеид (разброс ~0.3–0.6 маг); систематики: наклон, внутреннее поглощение, тип галактики, выборка.
- Роль: независимая проверка лестницы, но не главный инструмент современной точной оценки H0.
5) Фотометрические красные сдвиги (photo-z)
- Принцип: оценка z по многополосной фотометрии вместо спектроскопии; затем через z и модель космологии получают расстояние.
- Применение: широкие фотометрические обзоры, статистические измерения (космическая структура, слабое линзирование, BAO с фотометрическими выборками).
- Точность: индивидуальные photo-z имеют дробную ошибку ${\sigma }_z\sim 0.01–0.05(1+z)$, систематические смещения и вырожденности SED.
- Систематики: некорректные шаблоны, недостаточная калибровка спектроскопическими наборами, селекционные эффекты — влияют на статистические измерения H(z) и параметры космологии, но не напрямую на локальный H0.
6) Обобщённая оценка по вкладу в H0
- Локальные методы (цефеиды → SN Ia, TF) дают «локальный» H0: современные лестничные измерения часто дают $H_0\approx 73\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$.
- Ранние вселенские измерения (CMB+ΛCDM, Planck) через калиброванный звуковой горизонт дают $H_0\approx 67.4\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$.
- Photo-z и большие фотометрические опыты важны для статистических измерений расширения и структуры, но пониженная точность photo-z делает их вспомогательными для точного локального H0.
7) Возможные причины «напряжённости» H0
A. Систематические ошибки в локальной лестнице:
- Неполная или несовместимая калибровка цефеид (параллаксы Gaia, расстояния до LMC/NGC4258), влияние металличности и смешение источников.
- Систематики в стандартизации SN Ia: эволюция популяций, неправильные поправки цвета/световой кривой, кросс-калибровочные ошибки между инструментами.
- Выборка и селекционные эффекты (локальные потоки, малые объёмы — космическая дисперсия). Местные неоднородности плотности (локальная «пустота») могут сдвинуть локальное значение H0 на несколько процентов, но вряд ли объясняют весь разрыв.
B. Систематические ошибки в ранних вселенных:
- Неправильная модель для рекомбинации/звук. горизонтального масштаба (например ошибки в обработке Planck, неполная учётность систематик), но анализы независимых CMB/BAO обычно согласованы.
C. Новая физика (если систематики исключены):
- Ранняя тёмная энергия (early dark energy), которая уменьшает звуковой горизонт $r_s$ и повышает inferred H0 из CMB.
- Дополнительные релятивистские степени свободы (увеличение $N_{\mathrm{eff}}$).
- Взаимодействующая тёмная материя/тёмная энергия, распадающаяся тёмная материя, модифицированная гравитация.
- Локальные нарушения однородности/изотропности на больших масштабах (вырождение ΛCDM).
Каждое решение требует согласования с BAO, BBN, LSS и CMB — многие модели затруднены этими ограничениями.
8) Текущее состояние и пути разрешения
- Проверки: независимые якори (масер NGC4258, TRGB) и независимые методы (временные задержки сильного гравитационного линзирования, стандартные сирены — гравитационные волны) дают частично разрозненные значения, что помогает диагностировать систематики.
- Улучшения: точнее параллаксы Gaia, расширенные выборки SN Ia и их калибровка, глубокие спектроскопические калибровки photo-z, новые независимые измерения (GW стандартные сирены, больше масеров).
- Пока нет однозначного ответа — либо остаются невыявленные систематики в одной/обеих сторонах, либо это признак новой физики вне ΛCDM.
Кратко: цефеиды и SN Ia — основа локальной лестницы (высокая точность, но чувствительны к калибровке); TF — менее точный независимый тест; photo-z — статистический инструмент для больших выборок (меньшая точность на объект). Напряжённость H0 может быть результатом систематик (калибровка, эволюция, выборки) либо указывать на новую физику в ранней Вселенной; решение требует дальнейших независимых измерений и жёсткой проверки всех источников систематических ошибок.