Коротко — что измеряется, масштаб несходства, возможные причины, последствия и какие наблюдения могли бы разрешить противоречие.
Что и как измеряют (ключевые числа)
- Локальная «ступенчатая» лестница (SH0ES и др.): $H_0\approx 73\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$ (примерно $\pm 1\text{–}2\%$).
- Космологические задним планом (CMB, Planck в $\Lambda$CDM): $H_0\approx 67.4\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$ (примерно $\pm 0.5\%$).
- Статистическая разница: порядка $\sim 4\text{–}6\sigma$ в зависимости от выборки и учёта систематик.
Почему возникает разница — основные гипотезы
1. Систематические ошибки в дистанционной лестнице:
- калибровка параллаксов (Gaia), ошибки в измерениях Цефеид или TRGB, неправильная привязка сверхновых Ia;
- локальные эффекты (плотность/поток движения — «Hubble bubble», великие возмущения скоростей) — дают обычно несколько процентов, вряд ли объяснят всё напряжение.
2. Систематики в космологических выводах из CMB/BAO:
- ошибки в обработке данных, неполнота моделирования рекомбинации/лучистой передачи, влияние маломасштабной физики;
- BAO+BBN используют звуковой горизонт $r_s$, зависимость вывода $H_0$ через\ ${\theta }_{\ast }=r_s/D_A(z_{\ast })$.
3. Новая физика (изменение стандартного $\Lambda$CDM):
- ранняя модификация (меняющая $r_s$): ранняя тёмная энергия (EDE), дополнительная релятивистская компонента ($N_{\mathrm{eff}}$), взаимодействия в плазме до рекомбинации — сжимают $r_s$ и повышают инферируемый $H_0$ из CMB;
- поздние модификации (изменение расширения после рекомбинации): нестандартная динамика тёмной энергии, взаимодействующая тёмная материя/тёмная энергия;
- модифицированная гравитация, массовые нейтрино и т.п.
4. Комбинация: частичные систематики + небольшая новая физика.
Ключное физическое соотношение
- Установление $H_0$ из CMB/BAO опирается на звуковой горизонт:
$${\theta }_{\ast }=\frac{r_s(z_{\ast })}{D_A(z_{\ast })},$$ где изменение $r_s$ (ранняя физика) или $D_A$ (расширение) влияет на выводимый $H_0$.
Последствия, если несходство остаётся
- Если это систематика — подорвано доверие к некоторым космологическим результатам и требуются пересмотры калибровок.
- Если это новая физика — потребуется расширение $\Lambda$CDM: изменения в составе ранней Вселенной (энергия/частицы), влияние на оценку массы нейтрино, структуру образования, возраст Вселенной; возможны конфликт и с другими наблюдениями (сигнал роста структуры $f{\sigma }_8$, BBN, CMB).
- Практически: пересчёт космологических параметров, влияние на физику тёмной материи/энергии и фундаментальные константы.
Наблюдения и эксперименты, которые могли бы разрешить противоречие (решающие тесты)
1. Независимые «стандартные сирены» (гравитационные волны):
- бинарные нейтронные звёзды с электромагнитным оповещением: прямое измерение расстояния + z даёт $H_0$ без лестницы; крупная статистика (несколько десятков/сотен событий) даст точность $\lesssim 1\%$ в будущем (LIGO/Virgo/KAGRA сейчас, ET/CE далее).
2. Улучшенная локальная калибровка:
- ещё более точные параллаксы Gaia и независимые якоря (масеры в Галактике/внешних галактиках, детачированные двойные в LMC), расширение выборки TRGB vs Cepheids; JWST и ELT для дальних цефеид/сверхновых.
3. Бoльшие и точные когерентные выборки сильного линзирования и временных задержек:
- тайм-дилей тёмных галактик (H0LiCOW/TDCOSMO → множество систем от LSST) дают независимый $H_0$ с систематиками макромасштабного распределения массы.
4. Улучшение CMB и маломасштабных наблюдений:
- CMB-S4, Simons Observatory: точнее проверить малые масштабные фичи и параметры (включая $N_{\mathrm{eff}}$, сигнал EDE), поляризация и спектры малых масштабов.
5. Расширение BAO/редшифт-охвата:
- DESI, Euclid, SKA: измерения расстояний в широком диапазоне $z$, проверка согласованности формы расширения и звукового горизонта.
6. Прецизионные лабораторные и астрофизические ограничения BBN:
- улучшение измерений абундансов дейтерия/гелия для ограничения $N_{\mathrm{eff}}$ и ранней физики.
7. Кросс-чек роста структуры:
- $f{\sigma }_8$ и слабое линзирование (Euclid, Roman, Rubin) — проверка, совместима ли новая физика с образованием структур.
8. 21‑cm и ранняя Вселенная:
- сигналы из эпохи тёмных веков/рождения звёзд (21‑cm) чувствительны к ранней энергетике/ионизации и могут подтвердить/опровергнуть EDE-подобные сценарии.
Краткий итог
- Если систематики — исправление калибровок и независимые методы (масеры, стандартные сирены, lensing) должны дать согласие.
- Если нужна новая физика — решающими будут сочетание независимых локальных измерений и прецизионных ранних-вселенских наблюдений (CMB-S4, BAO, BBN, 21‑cm) для однозначного выявления, на каком этапе истории Вселенной нужно менять модель.
Если нужно, могу привести более подробный список конкретных экспериментов/планов и оценку, через сколько лет можно ожидать разрешения.