Hubbleova konstanta

HST konstanta je aktuální hodnota Hubble parametru $H$ . To je konstanta úměrnosti existující dnes mezi vzdáleností a rychlosti zjevné recesi z galaxií z pozorovatelného vesmíru (čím dál galaxie je od Země, tím více se rychle vzdaluje od něj). Umožňuje objasnit zákon Hubble-Lemaître popisující rozpínání vesmíru v rámci kosmologického modelu Velkého třesku a určit aktuální rychlost rozpínání vesmíru. $H_0$

Toto jméno dostalo na počest amerického astronoma Edwina Hubbla, který jako první v roce 1929 jasně prokázal proporcionalitu vzdáleností a rychlostí, a to díky svým pozorováním provedeným na observatoři Mount Wilson . O několik let dříve Alexandre Friedmann v roce 1922 a Georges Lemaître v roce 1927 vlastnili a nezávisle postavili teoretický model rozpínajícího se vesmíru z rovnic obecné relativity a matematicky prokázali možnost existence takové proporcionality.

Hubblova konstanta se obvykle vyjadřuje v km / s / Mpc , což poskytuje rychlost v kilometrech za sekundu ( km / s ) galaxie jako funkci její vzdálenosti v megaparsecích (Mpc). Jeho pozorovací hodnota je v současné době kolem 70 km / s / Mpc . Přesto dnes existuje velké množství nezávislých měření tohoto parametru, která jsou blízká, ale nekompatibilní, přičemž tyto rozdíly nejsou dosud vysvětleny.

I když se tento kosmologický parametr označuje jako „konstantní“, mění se v závislosti na čase. Popisuje tedy rychlost rozpínání vesmíru v daném čase.

Terminologie

Přísně vzato je třeba rozlišovat mezi Hubblovou konstantou, Hubblovým parametrem a rychlostí expanze.

Hubbleova konstanta je aktuální hodnota parametru Hubble.

Rychlost expanze je vyjádření hodnoty parametru Hubble v procentech .

Hodnocení

Hubbleova konstanta se obvykle zaznamenává , kde písmeno H je iniciálou patronymie Edwina Hubbla (písmeno H samotné se již ve fyzice hodně používá a index nula je přítomen, což naznačuje, že se jedná o aktuální hodnotu Hubbleovy konstanty. $H_0$

Rozměr a jednotky

Rozměr konstanty Hubble je o inverzní jednoho času .

Jeho jednotka SI je druhá k záporné (s −1 ).

Je však obvyklé vyjádřit to v kilometrech za sekundu na megaparsec (km / s / Mpc nebo km⋅s −1 ⋅Mpc −1 ), a to v následující podobě:

H_0 = 100 \, h \, \ mathrm {km \, s ^ ​​{- 1} \, Mpc ^ {- 1}}

kde je rychlost expanze. $h$

Interpretace Hubbleovy konstanty

Intuitivní význam

Hodnota 70 km / s / Mpc pro Hubblovu konstantu znamená, že galaxie umístěná 1 megaparsec (asi 3,26 milionu světelných let ) od pozorovatele se vzdaluje v důsledku rozpínání vesmíru (a proto vylučuje účinek konkrétního pohybu) objektu, zanedbatelné na velmi velkou vzdálenost) rychlostí asi 70 km / s . Galaxie umístěná na 10 Mpc se vznáší rychlostí 700 km / s atd.

A priori překvapivým důsledkem Hubbleova zákona je, že galaxie, která by byla umístěna na více než 4000 Mpc (14 miliard světelných let), by se od nás vzdálila rychlostí větší než je rychlost světla. To jednoduše naznačuje, že interpretace pohybu galaxií ve vesmíru se stává nesprávnou na velké vzdálenosti. Obecná teorie relativity říká, že musíme vzít v úvahu, že jsme v přítomnosti expanzí ze samotného vesmíru.

Rozdíly mezi různými hodnotami uvedenými výše pro Hubbleovu konstantu jsou mírné; ale pokud tento rozdíl pochází z akcelerace rozpínání vesmíru a ne z aproximací měření, může to zpochybnit kosmologický model stvoření vesmíru. K předchozím hypotézám Big Bounce , Big Crunch a Big Chill by pak byla přidána možnost Big Ripu, o kterém uvažoval americký astrofyzik Robert Caldwell v 90. letech.

Formalizace

Experimentální objev lineárního vztahu mezi rudým posuvem a vzdáleností vzdáleného objektu, spojený s a priori lineárním vztahem mezi rychlostí recese a rudým posuvem, je matematicky formalizován takto:

{\ displaystyle v = H_ {0} \, D}

nebo

$proti$ je rychlost recese, obvykle vyjádřená v km / s.
$H_0$ je Hubbleova konstanta a odpovídá hodnotě parametru Hubble v čase t, vyjádřené jako funkce faktoru měřítka
$D$ je přirozená vzdálenost (která se může měnit v závislosti na čase, na rozdíl od konstantní pohyblivé vzdálenosti ) od vzdáleného objektu k pozorovateli, měřená v megaparsecích (Mpc) od galaxie pozorovatele, v trojrozměrném prostoru definovaném daný kosmologický čas. Rychlost recese je pak jednoduše . $proti$ ${\ displaystyle v = dD / dt}$

Měření Hubbleovy konstanty

Změna hodnoty použité v XX -tého století

Hodnota Hubblovy konstanty se odhaduje z měření dvou parametrů týkajících se vzdálených objektů. Za prvé, červený posun ( červený posun ) vám dá vědět, jakou rychlostí vzdálené galaxie od nás ustupují (na velkou vzdálenost lze zanedbávat správný pohyb). Na druhou stranu měříme vzdálenost těchto galaxií. Toto druhé měření je obtížné provést, což způsobuje velké nejistoty ohledně hodnoty Hubblovy konstanty.

Brzy v druhé polovině XX -tého století , hodnota konstanty Hubblea byla odhadnuta mezi 50 a 100 km / s / Mpc . V 90. letech pak předpoklady modelu ΛCDM vedly k hodnotě blízké 70 km / s / Mpc .

Na začátku XXI th metod století přináší nekompatibilních hodnot

Pokud se pozorování provedená od roku 2010 shodují přibližně s hodnotou blízkou 70 km / s / Mpc , představují pro astrofyziky problém.

Do konce roku 2010 byly k experimentálnímu odhadu hodnoty Hubblovy konstanty použity dvě hlavní metody:

Pomocí pozorování pomocí standardních svíček . Použitá metoda má dva kroky. Za prvé, velmi přesná měření vesmírného dalekohledu na cefeidech umožňují určit vzdálenost mnoha galaxií v okruhu 30 Mpc. Cefeidy jsou jednoduché hvězdy a nelze je pozorovat na velmi velké vzdálenosti, v žádném případě na vzdálenosti přizpůsobené měření . Ve druhém kroku se předchozí data použijí ke kalibraci měření vzdáleností galaxií mnohem vzdálenějších (v okruhu 400 Mpc), získaných různými metodami: měření svítivosti supernov , měření globální svítivosti spirálních galaxií a vztahující se k jejich rychlost rotace ( zákon Tully-Fishera ) nebo dokonce měření celkové svítivosti eliptických galaxií a související s jejich rychlostí disperze (použití základní roviny pro měření vzdáleností). $H_0$
Využití pozorování difuzního kosmologického záření v rámci modelu ΛCDM . Poté se spoléháme na pozorovací programy určené k odhadu hlavních parametrů druhého modelu, jako je WMAP nebo Planckův vesmírný dalekohled.

Nejpřesnější hodnoty získané pro Hubbleovu konstantu získané pomocí první metody se sbíhají kolem 73 km / s / Mpc, zatímco hodnoty použité při druhém přístupu 67 km / s / Mpc. Rozdíl je pak významný (v závislosti na studiích, řádově tři až pět směrodatných odchylek ). Zatímco přesnost prvního typu měření by měla být snížena na 1% během pěti let, nic nenasvědčuje tomu, že další pozorování mohou významně snížit nesouhlas s druhým typem měření. Jak studie potvrzují tento rozdíl, zkreslení v měření vzdálenosti je stále méně pravděpodobné.

Na konci roku 2010 podpořily výzkum další metody měření:

Využití gravitačních vln detekovaných LIGO a Pannou s očekávanou přesností 2% do roku 2025 (a 1% do roku 2030). V roce 2019 úroveň přesnosti této metody neumožňuje opřít se o jednu nebo druhou z referenčních hodnot Hubbleovy konstanty.
Použití časových variací mezi několika obrazy ( gravitačními čočkami ) hmotných objektů, což je metoda používaná zejména mezinárodní spoluprací H0LiCOW ( H0 Lenses in COSMOGRAIL's Wellspring ), jejíž výsledky jsou kompatibilní se standardní metodou svíček.

V roce 2019 neznáme definitivně důvody této neslučitelnosti. Během kosmologického kongresu konaného v červenci 2019 v Santa Barbaře v Kalifornii astrofyzici představili několik měření rychlosti expanze vesmíru mezi 69,8 a 76,5 km / s / MPC , blízké ± 2 km / s / MPC, kvalifikovaná odchylka většinou účastníků jako „problém“ nebo „napětí“ . Několik publikací požaduje zejména přezkoumání modelu ΛCDM, aby se tento problém vyřešil.

Nedávná měření Hubblovy konstanty (v případě více publikací je uvedena pouze poslední)

Datováno	Hubbleova konstantní hodnota (v km / s / Mpc)	tým	Poznámka / metodika
06/11/2019	73.3+1,7 -1,8	H0LiCOW	Pozorování časových variací mezi několika obrazy ( gravitačními čočkami ) šesti kvasarů .
14. 10. 2019	74.2+2,7 -3	STRIDES	Modelování distribuce hmoty a časová zpoždění kvasaru DES J0408-5354 pomocí gravitační čočky.
13. 9. 2019	82,4 ± 8,4		Kalibrace vzdáleností pomocí duchovních obrazů kvasaru v důsledku působení gravitační čočky .
07/08/2019	70.3+5,3 −5	Detektory LIGO a VIRGO	Analýza gravitačních vln a souvisejících rádiových vln, zejména GW170817 .
26.03.2019	74,03 ± 1,42	Hubbleův vesmírný dalekohled / BOTY	Pozorování cefeid na Velkém Magellanově mračnu (po jeho přesné kalibraci) pomocí Hubblova kosmického dalekohledu .
09/11/2020	67,4 ± 0,5	PLANCK 2018	Analýza pozorování kosmického rozptýleného pozadí provedená Planckovým satelitem ( zveřejněna 11. září 2020 ).
20. 12. 2012	69,32 ± 0,8	WMAP	Analýza dat z WMAP na kosmickém rozptýleném pozadí v kombinaci s dalšími kosmologickými daty ve zjednodušené verzi modelu ΛCDM.
Srpna 2006	76,9+10,7 −8,7	Chandra	Pozorování v oblasti rentgenových paprsků.
Květen 2001	72 ± 8	Hubbleův vesmírný dalekohled	Analýza v optickém poli pomocí standardních svíček .

Související pojmy

Doba HST, uvést t H , je převrácená hodnota konstanty Hubbleova:

t_ \ mathrm {H} = \ frac {1} {H_0} = H_0 ^ {- 1}

Poloměr HST, je uvedeno R H , je poměr rychlosti světla ve vakuu ( c 0 ) konstantou Hubble:

R_ \ mathrm {H} = \ frac {c_0} {H_0}

HST koule, označený S H , je koule o poloměru R H , poloměr Hubble, se soustředil na pozorovatele.

Jeho (vnitřním) povrchem je Hubbleův horizont.

Jeho objem, označený jako V H , je objem Hubbla:

V_ \ mathrm {H} = \ frac {4} {3} {\ pi} R_ \ mathrm {H} ^ 3

Poznámky a odkazy

(in) Hsin-Yu Chen, Maya Fishbach a Daniel E. Holz, „ Dvě procenta na konstantní měření pomocí HST ze standardních sirén do pěti let “ , Nature , sv. 562,17. října 2018, str. 545-547 ( DOI 10.1038 / s41586-018-0606-0 ).
(en) Hotokezaka, K.; a kol., „ Hubblova konstanta měření z nadluminálního pohybu paprsku v GW170817 “ , na arXiv ,29. června 2018(zpřístupněno 3. června 2020 )
(in) Inh Jee et al. , „ Měření konstanty Hubbleova ze vzdálenosti úhlový průměr dvou gravitačních čoček “ , Science , vol. 365, n O 6458,13. září 2019( číst online ).
Natalie Wolchover, " Expanze vesmíru: problém rychlosti ," pro vědu , n o 507,ledna 2020( číst online ).
Richard Panek, „ Kosmická krize Hubblovy konstanty ,“ In Science , n o 510,dubna 2020, str. 26-34
(in) Johanna L. Miller, „ Měření gravitační čočky posouvají Hubblovu konstantní odchylku kolem 5σ “ , Fyzika dnes ,10. února 2020( DOI 10.1063 / PT.6.1.20200210a ).
(en) Adam G. Riess , Stefano Casertano, Wenlong Yuan, Lucas M. Macri a Dan Scolnic, „ Standardy velkého magellanovského cloudu Cepheid poskytují 1% základ pro stanovení Hubbleovy konstanty a silnější důkazy pro fyziku i mimo ni ΛCDM ” , přijato ke zveřejnění v The Astrophysical Journal ,26. března 2019( číst online ).
(en) Shajib, AJ; Birrer, S .; Treu, T.; Agnello, A .; et al., „ 3,9% měření Hubblovy konstanty ze silného systému čoček DES J0408-5354 “ , na serveru arXiv ,14. října 2019(zpřístupněno 3. června 2020 )
Revue Nature 567, 200, duben 2019,
Planck Collaboration, N. Aghanim , Y. Akrami , M. Ashdown , J. Aumont , C. Baccigalupi , M. Ballardini , AJ Banday , RB Barreiro , N. Bartolo , S. Basak , R. Battye , K. Benabed , J. -P. Bernard , M. Bersanelli , P. Bielewicz , JJ Bock , JR Bond , J. Borrill , FR Bouchet , F. Boulanger , M. Bucher , C. Burigana , RC Butler , E. Calabrese , J. -F. Cardoso , J. Carron , A. Challinor , HC Chiang a J. Chluba , „ Planck 2018 results. VI. Kosmologické parametry “ , na www.cosmos.esa.int ,2018( Bibcode 2018arXiv180706209P , arXiv 1807.06209 , přístup 18. července 2018 )
(en) Bennett, CL; a kol., „ Pozorování devítileté Wilkinsonovy mikrovlnné anizotropické sondy (WMAP): Konečné mapy a výsledky “ , na serveru arXiv ,4. června 2013(zpřístupněno 3. června 2020 )
(in) Mr. Bonamente, K. Joy, SJ Laroque, I Carlstrom et al. , " Stanovení kosmickém měřítku vzdálenost od Sunyaev-Zel'dovich účinek a Chandra měření rentgenové vysoce rudý posuv galaxií" " , Astrophysical Journal , vol. 647, n o 1,10. srpna 2006( číst online )
(in) Wendy L. Freedman , Barry F. Madore , Brad K. Gibson , Laura Ferrarese , Daniel D. Kelson , Shoko Sakai a kol. , „ Konečné výsledky z kosmického dalekohledu Hubble Space Telescope klíčovým projektem měřit konstantní HST “ , Astrophysical Journal , vol. 553,2001, str. 47–72 ( DOI 10.1086 / 320638 , číst online ). Předtisk je k dispozici zde .

Související články