Кратко: «тензия Хаббла» — устойчивое расхождение между локальными прямыми измерениями постоянной Хаббла $H_0$ и её значением, выведенным из параметров $\Lambda$CDM по данным CMB. Локальные методы (цепочка расстояний, сильное линзирование, стандартные сирены) дают примерно $H_0^{\mathrm{local}}\approx 73$ км/с/Мпк, а Planck+CMB — $H_0^{\mathrm{CMB}}\approx 67.4$ км/с/Мпк, расхождение $\sim 4-6\sigma$. Ниже — причины, последствия и физические модели, способные уменьшить расхождение.
Причины (возможные)
- Систематические ошибки в локальных измерениях: калибровка цефеид/TRGB, выборка SNe Ia, эффекты пылевого поглощения, плацебо в анализе. TRGB и другие калибровки дают значения ближе к CMB, что частично снижает напряжение.
- Систематики в CMB/BAO: модели рекомбинации, калибровка инструментов, неточности в обработке данные Planck — маловероятно объясняют весь разрыв, но важны.
- Космическая локальная аномалия: большой локальный пустой регион (void) сократит локальное H0, но требуемый размер/глубина маловероятны по структурной статистике.
- Новая физика (см. ниже): изменения ранней или поздней эволюции Вселенной, которые меняют шкалу акустического горизонта $r_s$ или расстояние до поверхности последнего рассеяния.
Ключевые физические соотношения
- Hubble: $H_0\equiv H(z=0)$.
- Фридман: $H^2(z)=\frac{8\pi G}{3}\rho (z)+\frac{\Lambda }{3}+\dots$.
- Звёздная шкала звукового горизонта (важна для CMB/BAO): $r_s={\int }_{z_{\mathrm{drag}}}^{\infty }\frac{c_s(z)}{H(z)}dz$.
- Угловой акустический масштаб: ${\theta }_{\ast }=\frac{r_s(z_{\ast })}{D_A(z_{\ast })}$. Для повышения $H_0^{\mathrm{CMB}}$ требуется уменьшить $r_s$ или изменить $D_A$.
Модели новой физики, которые могли бы устранить (или уменьшить) расхождение
(каждая модель — с краткой оценкой её эффективности и проблем)
1) Ранняя тёмная энергия (Early Dark Energy, EDE)
- Идея: добавочная компонентa энергии до/в момент рекомбинации, временно повышающая $H(z)$ и уменьшающая $r_s$.
- Параметризация: фракция энергии $f_{\mathrm{EDE}}$ в момент критического $z_c$.
- Эффект: может поднять $H_0^{\mathrm{CMB}}$ до локальных значений при $f_{\mathrm{EDE}}\sim$ нескольких процентов.
- Проблемы: ухудшает согласие с маломасштабной структурой (σ8, рост структур) и требует тонкой настройки времени/параметров.
2) Дополнительная реликтовая радиация ($N_{\mathrm{eff}}$ > стандартного)
- Увеличение эффективного числа релативистических видов $N_{\mathrm{eff}}$ повышает $H(z)$ в раннюю эпоху → уменьшает $r_s$.
- Эффект ограничен данными CMB/BBN: небольшое увеличение возможно, но полного решения tension не даёт без конфликтов с CMB.
3) Расщепление/распад тёмной материи (подвижный/распадающийся DM)
- Часть DM распадается в тёплую/релятивистскую компоненту до/во время рекомбинации, изменяя $H(z)$ и $r_s$.
- Может помочь, но требует аккуратной настройки жизни/фракции распада; сильные пределы от структуры и CMB.
4) Изменения в физике рекомбинации (вариации $m_e$ или $\alpha$)
- Изменение фундаментальных констант в ранней Вселенной меняет темп рекомбинации, шелл/ширину последствий, влияя на ${\theta }_{\ast }$.
- Жёстко ограничено спектром CMB; часть возможностей остаётся, но общий выигрыш невелик.
5) Взаимодействующая тёмная энергия/тёмная материя
- Обмен энергией/импульсом между DE и DM изменяет позднюю/раннюю экспансию и рост структур.
- Потенциально сдвигает оценку $H_0$, но подлежит строгим ограничениям от LSS и CMB.
6) Модифицированная гравитация
- Изменения на больших масштабах могут менять расстояния/рост структур.
- Требует совместимости с локальными тестами гравитации; полноценных моделей, решающих tension без побочных проблем, пока мало.
7) Локальный вакуум/пространственная неоднородность (LTB-модель)
- Модель с большим локальным пустым регионом повышает кажущийся $H_0$.
- Нужна большая и маловероятная неоднородность; противоречит многим наблюдениям.
Оценка реалистичности
- Самыми обсуждаемыми и формально успешными являются EDE и частично $N_{\mathrm{eff}}$/распадающийся DM. EDE может снять tension, но создаёт напряжение с данными по росту структур и требует тонкой настройки.
- Комбинация улучшения систематик в локальных методах + небольших изменений ранней физики — наиболее правдоподобный путь.
Последствия, если tension — новая физика
- Потребуется расширение $\Lambda$CDM (новая компонентa или взаимодействия).
- Влияет на оценку возраста Вселенной, массы нейтрино, параметры формирования структур, интерпретацию BAO/CMB.
- Откроет доступ к физике ранней Вселенной (поля, новые частицы, взаимодействия).
Что поможет окончательно разрешить вопрос
- Больше независимых измерений: стандартные сирены (гравол. волны), точные тайм-делэйкс в сильном линзировании, улучшенные локальные калибровки (Gaia, JWST), DESI/Euclid, CMB-S4.
- Совместный анализ CMB+LSS+SN+BAO с расширенными моделями физики.
Краткий вывод: пока нет единой безпроблемной новой модели, полностью заменяющей объяснение; наиболее перспективны сценарии, уменьшающие звуковой горизонт (EDE, дополнительные релативистические компоненты, распад DM), но они сталкиваются с другими ограничениями. Альтернативно, часть расхождения может быть систематикой в локальных измерениях.