Hubble konstant

Den Hubble konstant er den aktuelle verdi av den Hubble parameter $H$ . Det er den proporsjonalitetskonstanten som eksisterer i dag mellom avstanden og hastigheten til tilsynelatende lavkonjunktur i galaksene i det observerbare universet (jo lenger en galakse er fra jorden, jo mer beveger den seg raskt fra den). Det gjør det mulig å avklare Hubble-Lemaître-loven som beskriver utvidelsen av universet , innenfor rammen av den kosmologiske modellen til Big Bang , og å bestemme den nåværende utvidelseshastigheten for universet. $H_0$

Dette navnet ble gitt til ære for den amerikanske astronomen Edwin Hubble, som var den første i 1929 som tydelig demonstrerte proporsjonaliteten til avstander og hastigheter, takket være hans observasjoner gjort på Mount Wilson Observatory . Noen år tidligere hadde Alexandre Friedmann i 1922 og Georges Lemaître i 1927 for sin del og uavhengig konstruert den teoretiske modellen til et ekspanderende univers fra ligningene til generell relativitet , og matematisk demonstrert muligheten for eksistensen av en slik proporsjonalitet.

Hubble-konstanten uttrykkes vanligvis i km / s / Mpc , og gir dermed hastigheten i kilometer per sekund ( km / s ) til en galakse, som en funksjon av avstanden i megaparsek (Mpc). Observasjonsverdien er for tiden rundt 70 km / s / Mpc . Likevel er det i dag et stort antall uavhengige målinger av denne parameteren som er tette, men inkompatible, disse forskjellene er ikke forklart til dags dato.

Selv om det er referert til som "konstant", varierer denne kosmologiske parameteren som en funksjon av tiden. Den beskriver derfor universets ekspansjonshastighet på et gitt tidspunkt.

Terminologi

Strengt tatt skal det skilles mellom Hubble-konstanten, Hubble-parameteren og ekspansjonshastigheten.

Hubble-konstanten er den nåværende verdien av Hubble-parameteren.

Ekspansjonshastigheten er uttrykket i prosent av verdien til Hubble-parameteren.

Vurdering

Hubble-konstanten blir vanligvis notert , der bokstaven H er initialen til Edwin Hubbles patronym (bokstaven H alene er allerede brukt mye i fysikk, og indeksen null er til stede for å indikere at det er den nåværende verdien av Hubble-konstanten. $H_0$

Dimensjon og enheter

Den dimensjon av Hubble konstant er det av den inverse av en tid .

Dens SI- enhet er den nest etter den negative effekten (s −1 ).

Imidlertid er det vanlig å uttrykke det i kilometer per sekund per megaparsek (km / s / Mpc eller km⋅s −1 ⋅Mpc −1 ), i følgende form:

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

hvor er utvidelseshastigheten. $h$

Tolkning av Hubble-konstanten

Intuitiv mening

En verdi på 70 km / s / Mpc for Hubble-konstanten betyr at en galakse som ligger 1 megaparsek (ca. 3,26 millioner lysår ) fra observatøren beveger seg bort på grunn av utvidelsen av universet (og derfor ekskluderer effekten av objektets egen bevegelse , ubetydelig i veldig stor avstand) med en hastighet på rundt 70 km / s . En galakse lokalisert på 10 Mpc beveger seg vekk med en hastighet på 700 km / s , etc.

En a priori overraskende konsekvens av Hubbles lov er at en galakse som vil være plassert på mer enn 4000 Mpc (14 milliarder lysår) vil bevege seg bort fra oss med en hastighet som er større enn lysets hastighet. Dette indikerer ganske enkelt at tolkningen i form av bevegelse av galakser i rommet blir feil på store avstander. Den generelle relativitets forklarer at vi må tenke på at vi er i nærvær av en utvidelse av plassen alene.

Forskjellene mellom Hubble-konstantens forskjellige verdier er beskjedne; men hvis denne forskjellen kommer fra en akselerasjon av universets ekspansjon og ikke fra tilnærminger av måling, kan den stille spørsmålstegn ved den kosmologiske modellen for universets blir. Til de tidligere hypotesene om Big Bounce , ville Big Crunch og Big Chill bli lagt til muligheten for en Big Rip som allerede ble vurdert av den amerikanske astrofysikeren Robert Caldwell på 1990-tallet.

Formalisering

Den eksperimentelle oppdagelsen av det lineære forholdet mellom rødforskyvning og avstanden til et fjernt objekt, assosiert med et a priori lineært forhold mellom nedgangstakt og rødforskyvning, er matematisk formalisert som følger:

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

eller

$v$ er nedgangshastighet, vanligvis uttrykt i km / s.
$H_0$ er Hubble-konstanten og tilsvarer verdien av Hubble-parameteren på tidspunktet t, uttrykt som en funksjon av skaleringsfaktoren
$D$ er den naturlige avstanden (som kan endres som en funksjon av tiden, i motsetning til bevegelsesavstanden som er konstant) fra det fjerne objektet til observatøren, målt i megaparsek (Mpc) fra observatørens galakse, i det tredimensjonale rommet definert av gitt kosmologisk tid. Farten i lavkonjunktur er da ganske enkelt . $v$ ${\ displaystyle v = dD / dt}$

Måling av Hubble-konstanten

Endre verdier som brukes i XX th århundre

Verdien av Hubble-konstanten estimeres fra måling av to parametere angående fjerne objekter. For det første lar det røde skiftet ( redshift ) deg vite hastigheten som fjerne galakser trekker seg fra oss (lang avstand kan man forsømme riktig bevegelse). På den annen side måler vi avstanden til disse galaksene. Denne andre målingen er vanskelig å utføre, noe som medfører stor usikkerhet om verdien av Hubble-konstanten.

Tidlig i den andre halvdel av det XX th -tallet , ble verdien av den konstante Hubble anslått mellom 50 og 100 km / s / Mpc . Så på 1990-tallet resulterte antagelsene til ΛCDM-modellen i en verdi nær 70 km / s / Mpc .

Ved begynnelsen av XXI th århundre metoder for å bringe uforenlige verdier

Hvis observasjonene som er gjort siden 2010-tallet stemmer overens med en verdi nær 70 km / s / Mpc , utgjør de likevel et problem for astrofysikere.

Fram til slutten av 2010-tallet ble to hovedmetoder brukt til å eksperimentelt estimere verdien av Hubble-konstanten:

Bruke observasjoner ved hjelp av standardlys . Metoden som brukes har to trinn. Først og fremst gjør veldig nøyaktige målinger av romteleskopet på cepheider det mulig å bestemme avstanden til mange galakser innen en radius på 30 Mpc. Cepheidene er enkle stjerner, de kan ikke observeres på veldig store avstander, i alle fall ikke på avstander tilpasset en måling av . I et andre trinn blir de forrige dataene brukt til å kalibrere avstandsmålinger på galakser som er mye fjernere (innen en radius på 400 Mpc), oppnådd ved forskjellige metoder: måling av supernovaernes lysstyrke , måling av den globale lysstyrken til spiralgalakser og relatert til deres rotasjonshastighet ( Tully-Fisher-loven ) eller til og med måling av den totale lysstyrken til elliptiske galakser og relatert til deres spredningshastighet (bruk av grunnplanet for måling av avstander). $H_0$
Bruk av observasjon av diffus kosmologisk stråling innenfor rammen av ΛCDM-modellen . Vi stoler deretter på observasjonsprogrammer beregnet på å estimere hovedparametrene til sistnevnte modell, for eksempel WMAP eller Planck-romteleskopet.

De mest presise verdiene oppnådd for Hubble-konstanten oppnådd ved hjelp av den første metoden konvergerer rundt 73 km / s / Mpc, mens de som brukes i den andre tilnærmingen 67 km / s / Mpc. Forskjellen er da signifikant (avhengig av studiene, i størrelsesorden tre til fem standardavvik ). Selv om presisjonen til den første typen måling skal reduseres til 1% innen fem år, er det ingen indikasjoner på at ytterligere observasjoner kan redusere uenigheten med den andre målingen betydelig. Ettersom studier bekrefter denne forskjellen, blir skjevhet i avstandsmålinger mindre og mindre sannsynlig.

Andre målemetoder drev forskning på slutten av 2010-tallet:

Bruken av gravitasjonsbølger oppdaget av LIGO og Jomfruen , med en forventet nøyaktighet på 2% innen 2025 (og 1% innen 2030). I 2019 tillater ikke nøyaktighetsnivået til denne metoden å lene seg til fordel for den ene eller den andre av referanseverdiene for Hubble-konstanten.
Bruken av tidsmessige variasjoner mellom flere bilder (av gravitasjonslinser ) av massive gjenstander, en metode som spesielt brukes av det internasjonale samarbeidet H0LiCOW ( H0-objektiver i COSMOGRAILs Wellspring ), og hvis resultater er kompatible med standard lysmetoden .

I 2019 vet vi ikke definitivt årsakene til denne inkompatibiliteten. Under kosmologikongressen i juli 2019, i Santa Barbara (California) , presenterer astrofysikere flere målinger av ekspansjonshastigheten i universet mellom 69,8 og 76,5 km / s / Mpc , ved ± 2 km / s / Mpc nær, et avvik kvalifisert av de fleste av deltakerne som "problem" eller "spenning" . Flere publikasjoner krever spesielt en ny undersøkelse av MCDM-modellen for å løse dette problemet.

Nylige målinger av Hubble-konstanten (i tilfelle flere publikasjoner siteres bare den siste)

Datert	Hubble konstant verdi (i km / s / Mpc)	Team	Merknad / metodikk
06/11/2019	73.3+1.7 −1.8	H0LiCOW	Observasjon av tidsmessige variasjoner mellom flere bilder (ved gravitasjonslinser ) av seks kvasarer .
14.10.2019	74.2+2,7 −3	STRIDER	Modellering av massefordeling og tidsforsinkelser av DES J0408-5354 kvasaren via en gravitasjonslinse.
09/13/2019	82,4 ± 8,4		Kalibrering av avstander ved hjelp av spøkelsesbilder av en kvasar på grunn av en gravitasjonslinseeffekt .
07.08.2019	70.3+5,3 −5	LIGO og VIRGO detektorer	Analyse av gravitasjonsbølger og tilhørende radiobølger, spesielt GW170817 .
26.03.2019	74,03 ± 1,42	Hubble romteleskop / SKO	Observasjon av Cepheids av den store magellanske skyen (etter den nøyaktige kalibreringen) av Hubble Space Telescope .
09/11/2020	67,4 ± 0,5	PLANCK 2018	Analyse av kosmiske diffuse bakgrunnsobservasjoner gjort av Planck-satellitten ( publisert 11. september 2020 ).
12/20/2012	69,32 ± 0,8	WMAP	Analyse av data fra WMAP på den kosmiske diffuse bakgrunnen kombinert med andre kosmologiske data i en forenklet versjon av ΛCDM-modellen.
August 2006	76.9+10,7 −8,7	Chandra	Observasjon innen røntgenstråler.
Mai 2001	72 ± 8	Hubble-romteleskop	Analyse i det optiske feltet ved bruk av standardlys .

Relaterte begreper

Hubble-tiden, bemerket t H , er den omvendte av Hubble-konstanten:

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

Hubble radius, bemerket R H , er forholdet mellom hastigheten til lys i vakuum ( c 0 ) av Hubble konstant:

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

Hubble sfære, betegnet S H , er den kule med radius R H , radien Hubble, sentrert på observatøren.

Dens (indre) overflate er Hubble-horisonten.

Volumet, betegnet V H , er Hubble-volumet:

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

Merknader og referanser

(in) Hsin-Yu Chen, Maya Fishbach og Daniel E. Holz, " A two percent per Hubble constant measure from standard sirens Within five years " , Nature , vol. 562,17. oktober 2018, s. 545-547 ( DOI 10.1038 / s41586-018-0606-0 ).
(en) Hotokezaka, K.; et al., " En Hubble konstant måling fra superluminal bevegelse av strålen i GW170817 " , på arXiv ,29. juni 2018(åpnet 3. juni 2020 )
(in) Inh Jee et al. , " En måling av Hubble-konstanten fra avstander i vinkeldiameter til to gravitasjonslinser " , Science , vol. 365, nr . 6458,13. september 2019( les online ).
Natalie Wolchover, " Expansion of the universe: a speed problem ," For science , n o 507,januar 2020( les online ).
Richard Panek, " Hubble-konstantens kosmiske krise ," In Science , nr . 510,april 2020, s. 26-34
(i) Johanna L. Miller, " Gravitasjonslinsemålinger skyver Hubble-konstant avvik forbi 5σ " , Physics Today ,10. februar 2020( DOI 10.1063 / PT.6.1.20200210a ).
(no) Adam G. Riess , Stefano Casertano, Wenlong Yuan, Lucas M. Macri og Dan Scolnic, “ Store magellanske sky-Cepheid-standarder gir en 1% grunnlag for bestemmelse av Hubble-konstanten og sterkere bevis for fysikk utover ΛCDM ” , akseptert for publisering i The Astrophysical Journal ,26. mars 2019( les online ).
(en) Shajib, AJ; Birrer, S.; Treu, T.; Agnello, A.; et al., " En måling på 3,9 prosent av Hubble-konstanten fra det sterke linsesystemet DES J0408-5354 " , på arXiv ,14. oktober 2019(åpnet 3. juni 2020 )
Revue Nature 567, 200, april 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 og J. Chluba , “ Planck 2018 results. VI. Kosmologiske parametere ” , på www.cosmos.esa.int ,2018( Bibcode 2018arXiv180706209P , arXiv 1807.06209 , åpnet 18. juli 2018 )
(en) Bennett, CL; et al., “ Nine-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) observations: Final maps and results ” , på arXiv ,4. juni 2013(åpnet 3. juni 2020 )
(in) Mr. Bonamente, K. Joy, SJ Laroque, I Carlstrom et al. , " Bestemmelse av kosmisk avstandsskala fra Sunyaev-Zel'dovich effekt og Chandra røntgenmålinger av høy-redshift galaksehop" " , The astrofysiske Journal , vol. 647, n o 1,10. august 2006( les online )
(i) Wendy L. Freedman , Barry F. Madore , Brad K. Gibson , Laura Ferrarese , Daniel D. Kelson , Shoko Sakai og al. , “ Endelige resultater fra Hubble Space Telescope Key Project to Measure the Hubble Constant ” , Astrophysical Journal , vol. 553,2001, s. 47–72 ( DOI 10.1086 / 320638 , les online ). Preprint tilgjengelig her .

Relaterte artikler