Measuring the Hubble Constant: The Tension

Het meten van de Hubble-constante: de spanning

Verschillen in lokale versus vroeg-universum metingen voeden nieuwe kosmologische vragen

Het Belang van H0

De Hubble-constante (H0) bepaalt het huidige expansietempo van het universum, meestal uitgedrukt in kilometers per seconde per megaparsec (km/s/Mpc). Een precieze waarde van H0 is cruciaal in de kosmologie omdat:

  1. Het bepaalt de leeftijd van het universum wanneer teruggeëxtrapoleerd vanuit expansie.
  2. Het kalibreert de afstandsschaal voor andere kosmische metingen.
  3. Het helpt degeneraties in kosmologische parameterfits te doorbreken (bijv. materiedichtheid, donkere energieparameters).

Astronomen meten traditioneel H0 via twee verschillende strategieën:

  • Lokale (afstandsladder) benadering: Opbouwen van parallax naar Cepheïden of TRGB (Tip van de Rode Reuzen Tak), vervolgens gebruikmakend van Type Ia supernova's, wat een directe expansiesnelheid oplevert in het relatief nabije universum.
  • Vroeg-universum benadering: H0 afleiden uit de kosmische achtergrondstraling (CMB) data onder een gekozen kosmologisch model (ΛCDM), plus baryonische akoestische oscillaties of andere beperkingen.

In recente jaren leveren deze twee benaderingen significant verschillende H0-waarden op: een hogere lokale meting (~73–75 km/s/Mpc) versus een lagere CMB-gebaseerde meting (~67–68 km/s/Mpc). Deze discrepantie—de “Hubble spanning” genoemd—suggereert ofwel nieuwe fysica buiten het standaard ΛCDM-model of onopgeloste systematische fouten in een of beide meetmethoden.

2. Lokale Afstandsladder: Een Stapsgewijze Benadering

2.1 Parallax en Kalibratie

De basis van de lokale afstandsladder is parallax (trigonometrisch) voor relatief nabije sterren (Gaia-missie, HST-parallax voor Cepheïden, enz.). Parallax bepaalt de absolute schaal voor standaardkaarsen zoals Cepheïde veranderlijken, die een goed gekarakteriseerde periode-lichtkrachtrelatie hebben.

2.2 Cepheïden en TRGB

  • Cepheïde veranderlijken: De sleuteltrap om verder verwijderde markers zoals Type Ia supernova's te kalibreren. Freedman en Madore, Riess et al. (SHoES team), en anderen verfijnden lokale Cepheïde kalibraties.
  • Tip van de Rode Reuzen Tak (TRGB): Een andere techniek gebruikt de lichtkracht van rode reuzen bij het begin van de heliumflits in metaalarme populaties. Het Carnegie–Chicago team (Freedman et al.) bereikte ~1% precisie in enkele lokale sterrenstelsels, wat een alternatief biedt voor Cepheïden.

2.3 Type Ia Supernova's

Zodra Cepheïden (of TRGB) in gaststelsels supernovalichtkracht verankeren, kan men supernova's meten tot honderden Mpc. Door de schijnbare helderheid van supernova's te vergelijken met de afgeleide absolute lichtkracht, verkrijgen we afstanden. Het uitzetten van recessiesnelheid (van roodverschuiving) versus afstand levert lokaal H0 op.

2.4 De lokale metingen

Riess et al. (SHoES) vinden typisch H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (met ~1,0–1,5% onzekerheid). Freedman et al. (TRGB) vinden waarden rond 69–71 km/s/Mpc, iets lager dan Riess maar nog steeds boven de Planck-gebaseerde ~67. Dus, hoewel lokale metingen onderling verschillen, clusteren ze meestal rond 70–74 km/s/Mpc—hoger dan de ~67 van Planck.

3. Vroeg-universum (CMB) benadering

3.1 Het ΛCDM-model en CMB

De anisotropieën van de kosmische achtergrondstraling (CMB) gemeten door WMAP of Planck, onder een standaard ΛCDM-kosmologisch model, leiden tot de akoestische piekschalen en andere parameters. Uit het passen van het CMB-vermogen spectrum verkrijgt men Ωb h², Ωc h² en andere parameters. Door deze te combineren met de aanname van vlakheid, en met BAO of andere gegevens, wordt een afgeleide H0 verkregen.

3.2 Plancks meting

De Planck-samenwerking levert typisch H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (afhankelijk van exacte priors), ongeveer 5–6σ lager dan de lokale SHoES-meting. Dit verschil, bekend als de Hubble-spanning, heeft een ~5σ significantie, wat suggereert dat het onwaarschijnlijk een toevallige fluctuatie is.

3.3 Waarom de discrepantie ertoe doet

Als het standaard ΛCDM-model correct is en Planck-gegevens systematisch betrouwbaar zijn, dan moeten lokale afstandsladdermethoden een onherkende systematische fout bevatten. Alternatief, als lokale afstanden accuraat zijn, is het vroege-universummodel mogelijk onvolledig—nieuwe fysica kan de kosmische expansie beïnvloeden of een extra relativistische soort of vroege donkere energie verandert de afgeleide H0.

4. Potentiële bronnen van discrepantie

4.1 Systematische fouten in de afstandsladder?

Een vermoeden is dat Cepheïde kalibraties of supernova-fotometrie mogelijk niet-gecorrigeerde systematische fouten bevatten—zoals metaalgehalte-effecten op Cepheïde helderheden, lokale stromingscorrecties of selectiebias. De sterke interne consistentie tussen meerdere teams verlaagt echter de kans op een grote fout. TRGB-methoden convergeren ook naar een matig hoge H0, iets lager dan Cepheïden, maar nog steeds hoger dan Planck.

4.2 Onherkende systematische fouten in CMB of ΛCDM?

Een andere mogelijkheid is dat Plancks CMB-interpretatie onder ΛCDM een cruciale factor mist, bijvoorbeeld:

  • Uitgebreide neutrinofysica of een extra relativistische soort (Neff).
  • Vroege donkere energie nabij recombinatie.
  • Niet-vlakke geometrie of tijdsafhankelijke donkere energie.

Planck ziet geen sterk teken hiervan, maar milde aanwijzingen verschijnen in sommige uitgebreide modelaanpassingen. Geen enkele lost de spanning overtuigend op zonder andere anomalieën te veroorzaken of de complexiteit te verhogen.

4.3 Twee verschillende Hubble-constanten?

Sommigen beweren dat de expansiesnelheid bij lage roodverschuiving kan verschillen van het globale gemiddelde als grote lokale structuren of inhomogeniteiten (de “Hubble-bubbel”) bestaan, maar gegevens uit meerdere richtingen, andere kosmische schalen en de algemene homogeniteitsaanname maken een significante lokale leegte of lokale omgevingverklaring minder waarschijnlijk om de spanning volledig te verklaren.

5. Inspanningen om de Spanning op te Lossen

5.1 Onafhankelijke Methoden

Onderzoekers testen alternatieve lokale kalibraties:

  • Masers in megamaserstelsels (zoals NGC 4258) als anker voor supernova-afstanden.
  • Sterke lensing tijdvertragingen (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Oppervlaktehelderheidsschommelingen in elliptische sterrenstelsels.

Tot nu toe ondersteunen deze over het algemeen H0 in het hoge 60- tot lage 70-bereik, niet allemaal convergerend naar exact dezelfde waarde, maar meestal boven 67. Dus heeft geen enkele onafhankelijke route de spanning weggenomen.

5.2 Meer Gegevens van DES, DESI, Euclid

BAO gemeten bij verschillende roodverschuivingen kunnen H(z) reconstrueren om te testen of er een afwijking van ΛCDM optreedt tussen z = 1100 (CMB-epoche) en z = 0. Als gegevens een evolutie tonen die een hogere lokale H0 oplevert terwijl ze Planck bij hoge z matchen, kan dat wijzen op nieuwe fysica (zoals vroege donkere energie). DESI streeft naar een ~1% afstandsmeting bij meerdere roodverschuivingen, wat mogelijk het kosmische expansiepad verduidelijkt.

5.3 Volgende Generatie Afstandsladder

Lokale teams blijven parallaxkalibraties verfijnen via Gaia-gegevens, verbeteren Cepheïde-nulpunten en controleren systematiek in supernovafotometrie opnieuw. Als de spanning aanhoudt met kleinere foutenmarges, wordt het argument voor nieuwe fysica buiten ΛCDM sterker. Als het verdwijnt, bevestigen we de stevigheid van ΛCDM.

6. De Gevolgen voor Kosmologie

6.1 Als Planck Klopt (H Laag0)

Een lage H0 ≈ 67 km/s/Mpc komt overeen met standaard ΛCDM van z = 1100 tot nu. Dan moeten lokale afstandsladdermethoden systematisch fout zijn, of we bevinden ons in een ongebruikelijke lokale regio. Dit scenario geeft aan dat de leeftijd van het universum ~13,8 miljard jaar is. Voorspellingen van de grootschalige structuur blijven consistent met gegevens over sterrenstelselsclustering, BAO's en lensing.

6.2 Als de Lokale Ladder Klopt (H Hoog0)

Als H0 ≈ 73 is correct, dan moet de standaard ΛCDM-aanpassing aan Planck onvolledig zijn. We hebben mogelijk nodig:

  • Aanvullende vroege donkere energie die tijdelijk de uitzetting versnelt vóór recombinatie, waardoor piekhoeken veranderen en de Planck-gebaseerde afleiding van H0 wordt verlaagd.
  • Extra relativistische vrijheidsgraden of nieuwe neutrino-fysica.
  • Een breuk in de aanname van een vlak, puur ΛCDM heelal.

Dergelijke nieuwe fysica kan de spanning oplossen ten koste van complexere modellen, maar kan getest worden met andere data (CMB-lensing, beperkingen op structuurgroei, big bang nucleosynthese).

6.3 Toekomstperspectief

De spanning nodigt uit tot robuuste kruiscontroles. CMB-S4 of geavanceerde kosmische shear-data kunnen controleren of de structuurgroei overeenkomt met een hoge of lage H0-uitzetting. Als de spanning consistent blijft rond ~5σ, wijst dat sterk op een noodzakelijke herziening van het standaardmodel. Een grote theoretische doorbraak of een systematische oplossing kan uiteindelijk het oordeel beslechten.

7. Conclusie

Het meten van de Hubble-constante (H0) staat centraal in de kosmologie, waarbij lokale waarnemingen van uitzetting worden verbonden met het vroege heelal-kader. Huidige methoden leveren twee verschillende resultaten op:

  1. Lokale afstandsladder (via Cepheïden, TRGB, SNe) levert typisch H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM gebaseerd op CMB-fits, met Planck-data, geven H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Deze “Hubble-spanning,” met ongeveer 5σ significantie, impliceert ofwel niet-herkende systematische fouten in één benadering of nieuwe fysica buiten het standaard ΛCDM-model. Lopende verbeteringen in parallaxkalibratie (Gaia), supernova nulpuntsbepaling, lensing tijdvertraging-afstanden en hoog-rodeverschuiving BAO testen elke hypothese. Als de spanning aanhoudt, kan het exotische oplossingen onthullen (vroege donkere energie, extra neutrino's, enz.). Als het afneemt, bevestigen we de stevigheid van ΛCDM.

Elke uitkomst vormt onze kosmische vertelling diepgaand. De spanning stimuleert nieuwe observationele campagnes (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) en geavanceerde theoretische modellen, wat de dynamische aard van de moderne kosmologie aantoont—waar precieze data en aanhoudende anomalieën onze zoektocht naar het verenigen van het vroege en hedendaagse heelal tot één coherent beeld aandrijven.

Referenties en Verdere Lectuur

  1. Riess, A. G., et al. (2016). “Een bepaling van 2,4% van de lokale waarde van de Hubble-constante.” The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). “Planck 2018 resultaten. VI. Kosmologische parameters.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). “Het Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. Een onafhankelijke bepaling van de Hubble-constante gebaseerd op de top van de rode reuzen tak.” The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). “Spanningen tussen het vroege en het late heelal.” Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). “Gids voor jagers op de Hubble-constante.” Physics Today, 73, 38.

 

← Vorig artikel                    Volgend artikel →

 

 

Terug naar boven

Terug naar blog