Hubble sabiti

Hubble sabiti geçerli değeridir Hubble parametre $H$ . Mevcut orantı sabitidir bugün mesafesi arasındaki bariz durgunluk hız ait galaksilerin arasında gözlemlenebilir evrenin (ayrıca bir galaksi Dünya'dan, daha çabuk ondan hamle). Evrenin genişlemesini tanımlayan Hubble-Lemaitre yasasını Big Bang'in kozmolojik modeli çerçevesinde netleştirmeyi ve evrenin mevcut genişleme hızını belirlemeyi mümkün kılar . $H_0$

Bu isim, 1929'da Mount Wilson Gözlemevi'nde yaptığı gözlemler sayesinde mesafelerin ve hızların orantılılığını açıkça gösteren ilk Amerikalı astronom Edwin Hubble'ın onuruna verildi . Birkaç yıl önce, 1922'de Alexandre Friedmann ve 1927'de Georges Lemaître kendi paylarına ve bağımsız olarak genel görelilik denklemlerinden genişleyen bir evrenin teorik modelini oluşturmuşlar ve böyle bir orantılılığın varlığının olasılığını matematiksel olarak göstermişlerdir.

Hubble sabiti genellikle km / s / Mpc cinsinden ifade edilir , böylece bir galaksinin megaparsec (Mpc) cinsinden mesafesinin bir fonksiyonu olarak saniyede kilometre ( km / s ) cinsinden hızını sağlar . Gözlem değeri şu anda 70 km/s/Mpc civarındadır . Bununla birlikte, günümüzde bu parametrenin birbirine yakın ancak uyumsuz çok sayıda bağımsız ölçümü vardır, bu farklılıklar bugüne kadar açıklanmamıştır.

"Sabit" olarak adlandırılsa da, bu kozmolojik parametre zamanın bir fonksiyonu olarak değişir. Bu nedenle, belirli bir zamanda evrenin genişleme hızını tanımlar.

terminoloji

Kesin konuşmak gerekirse, Hubble sabiti, Hubble parametresi ve genişleme hızı arasında bir ayrım yapılmalıdır.

Hubble sabiti, Hubble parametresinin geçerli değeridir.

Genişletme oranı, Hubble parametresinin değerinin yüzde cinsinden ifadesidir .

Değerlendirme

Hubble sabiti genellikle not edilir H harfi ilk olduğu, Edwin Hubble'ın soyadı , tek başına önce fizik çok kullanılan (H harfi ve dizin sıfır bu Hubble sabitinin mevcut değeri olduğunu belirtmek için kullanılmaktadır. $H_0$

Boyut ve birimler

Boyut Hubble sabitinin Bunun olan ters a zaman .

SI birimi , negatif güçten (s -1 ) ikincidir .

Bununla birlikte, içinde ifade için alışılmış bir saniyede kilometre başına megaparsaniye (km / sn / MPC veya km⋅s -1 ⋅Mpc -1 ) aşağıdaki biçimde:

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

genişleme oranı nerede . $h$

Hubble sabitinin yorumlanması

Sezgisel anlam

Hubble sabiti için 70 km/s/ Mpc değeri , gözlemciden 1 megaparsec (yaklaşık 3,26 milyon ışıkyılı ) uzaklıkta bulunan bir galaksinin , evrenin genişlemesi nedeniyle (ve dolayısıyla belirli bir hareketin etkisi hariç) uzaklaşmakta olduğu anlamına gelir. nesnenin, çok büyük bir mesafede ihmal edilebilir) yaklaşık 70 km / s'lik bir hızda . 10 Mpc'de bulunan bir galaksi 700 km/s hızla uzaklaşıyor vs.

Hubble yasasının a priori şaşırtıcı bir sonucu , 4000 Mpc'den (14 milyar ışıkyılı) daha fazla bir hızda bulunacak bir galaksinin bizden ışık hızından daha büyük bir hızla uzaklaşmasıdır. Bu sadece galaksilerin hareketi açısından yorumlanması olduğunu gösterir yılında uzayda büyük mesafeler de uygunsuz hale gelir. Genel görelilik biz genişletilmesi huzurunda olduklarını dikkate gerektiğini açıklar ait uzay kendisi.

Hubble sabiti için yukarıda belirtilen çeşitli değerler arasındaki farklar mütevazıdır; ancak bu fark, ölçüm yaklaşımlarından değil de evrenin genişlemesinin hızlanmasından kaynaklanıyorsa, evrenin oluşumunun kozmolojik modelini sorgulayabilir. Big Bounce , Big Crunch ve Big Chill'in önceki hipotezlerine daha sonra , 1990'larda Amerikalı astrofizikçi Robert Caldwell tarafından zaten düşünülen bir Big Rip olasılığı eklenecekti .

Resmileştirme

Durgunluk oranı ile kırmızıya kayma arasındaki a priori doğrusal ilişki ile bağlantılı olarak , kırmızıya kayma ile uzak bir nesnenin mesafesi arasındaki doğrusal ilişkinin deneysel keşfi , matematiksel olarak aşağıdaki gibi formüle edilmiştir:

{\ görüntü stili v = H_ {0} \, D}

veya

$v$ tipik olarak km/s cinsinden ifade edilen durgunluk hızıdır.
$H_0$ Hubble sabitidir ve ölçek faktörünün bir fonksiyonu olarak ifade edilen, t zamanındaki Hubble parametresinin değerine karşılık gelir
$D$ olan , doğal bir mesafe (farklı olarak, zamanın bir fonksiyonu olarak değişebilir hareket mesafesi 3-boyutlu uzayda gözlemcinin galaksiden megaparsecs (Kurul) olarak ölçülen bir gözlemci için uzak nesneye gelen sabittir) tarafından tanımlanan verilen kozmolojik zaman. Durgunluğun hızı o zaman basitçe . $v$ ${\ görüntü stili v = dD / dt}$

Hubble sabitinin ölçülmesi

Kullanılan değerleri değiştirme XX inci yüzyılın

Hubble sabitinin değeri, uzaktaki nesnelerle ilgili iki parametrenin ölçümünden tahmin edilir. İlk olarak, kırmızıya kayma ( kırmızıya kayma ), uzak galaksilerin bizden ne kadar uzaklaştığını bilmenizi sağlar (uzun mesafeli kişi doğru hareketi ihmal edebilir). Öte yandan, bu galaksilerin uzaklığını ölçüyoruz. Bu ikinci ölçümün gerçekleştirilmesi zordur, bu da Hubble sabitinin değeri üzerinde büyük belirsizliklere neden olur.

Erken ikinci yarısında XX inci yüzyılın Hubble sabiti değeri 50 ile 100 arasında tahmin edilmiştir km / s / Mpc . Daha sonra 1990'larda ΛCDM modelinin varsayımları 70 km/s/ Mpc'ye yakın bir değerle sonuçlandı .

Başında XXI inci uyumsuz değerler getirme yüzyıl yöntemlerine

2010'lardan bu yana yapılan gözlemler yaklaşık olarak 70 km/s/Mpc'ye yakın bir değerle uyuşuyorsa , yine de astrofizikçiler için sorun teşkil ediyor.

2010'ların sonuna kadar, Hubble sabitinin değerini deneysel olarak tahmin etmek için iki ana yöntem kullanıldı:

Standart mumları kullanarak gözlemleri kullanma . Kullanılan yöntemin iki adımı vardır. Her şeyden önce, cepheidlerdeki uzay teleskobunun çok hassas ölçümleri , 30 Mpc yarıçapındaki birçok gökadanın mesafesini belirlemeyi mümkün kılıyor . Sefeidler basit yıldızlar oldukları için çok uzak mesafelerde, her halükarda . İkinci bir adımda, önceki veriler, çok daha uzaktaki (400 Mpc yarıçapındaki) galaksiler üzerinde farklı yöntemlerle elde edilen mesafe ölçümlerini kalibre etmek için kullanılır: süpernova parlaklığının ölçümü, sarmal gökadaların küresel parlaklığının ölçümü ve bunlarla ilgili. dönme hızı ( Tully-Fisher yasası ) veya hatta eliptik gökadaların genel parlaklıklarının ve bunların dağılım hızlarıyla ilgili ölçümü (mesafeleri ölçmek için temel düzlemin kullanımı ). $H_0$
ΛCDM modeli çerçevesinde yaygın kozmolojik radyasyon gözleminin kullanılması . Daha sonra WMAP veya Planck uzay teleskobu gibi ikinci modelin ana parametrelerini tahmin etmeyi amaçlayan gözlem programlarına güveniyoruz .

Birinci yöntem kullanılarak elde edilen Hubble sabiti için elde edilen en kesin değerler 73 km/s/Mpc civarında yakınsar, ikinci yaklaşımda kullanılanlar ise 67 km/s/Mpc'ye yaklaşır. Fark daha sonra anlamlıdır (çalışmalara bağlı olarak, üç ila beş standart sapma mertebesinde ). İlk ölçüm türünün kesinliği beş yıl içinde %1'e düşürülmelidir, ancak ek gözlemlerin ikinci tür ölçümle uyuşmazlığı önemli ölçüde azaltabileceğine dair hiçbir gösterge yoktur. Çalışmalar bu farkı doğruladıkça, mesafe ölçümlerindeki yanlılık giderek azalmaktadır.

2010'ların sonunda araştırmalara eklenen diğer ölçüm yöntemleri:

2025 yılına kadar %2 (ve 2030 yılına kadar %1) beklenen doğrulukla LIGO ve Başak tarafından tespit edilen yerçekimi dalgalarının kullanımı . 2019'da, bu yöntemin hassasiyet seviyesi, Hubble sabiti için referans değerlerden birinin veya diğerinin lehine eğilmeye izin vermiyor.
Özellikle uluslararası işbirliği H0LiCOW ( COSMOGRAIL's Wellspring'deki H0 Lensler) tarafından kullanılan ve sonuçları standart mum yöntemiyle uyumlu olan , büyük nesnelerin çeşitli görüntüleri ( yerçekimi lensleri ile ) arasındaki zamansal varyasyonların kullanımı .

2019'da bu uyumsuzluğun nedenlerini kesin olarak bilmiyoruz. Temmuz 2019'da Santa Barbara'da (Kaliforniya) düzenlenen kozmoloji kongresinde astrofizikçiler, Evrenin genişleme hızının 69.8 ile 76,5 km/s/Mpc arasında , ±2 km/s/Mpc yakınında, bir tutarsızlık olarak nitelendirilen çeşitli ölçümlerini sunarlar. katılımcıların çoğu tarafından "sorun" veya "gerginlik" olarak ifade edilmiştir . Bazı yayınlar , bu sorunu çözmek için özellikle ΛCDM modelinin yeniden incelenmesini talep etmektedir .

Hubble sabitinin son ölçümleri (birden fazla yayın olması durumunda, yalnızca sonuncusuna atıfta bulunulur)

Tarihli	Hubble sabit değeri (km/s/Mpc olarak)	Takım	Not / metodoloji
06/11/2019	73.3+1,7 −1,8	H0LiCOW	Altı kuasarın birkaç görüntüsü ( yerçekimi lensleri ile ) arasındaki zamansal varyasyonların gözlemlenmesi .
10/14/2019	74.2+2.7 −3	ADIMLAR	DES J0408-5354 kuasarının kütle dağılımının ve zaman gecikmelerinin yerçekimi merceği aracılığıyla modellenmesi.
13.09.2019	82.4 ± 8.4		Yerçekimi mercek etkisi nedeniyle bir kuasarın hayalet görüntülerini kullanarak mesafelerin kalibrasyonu .
07/08/2019	70.3+5.3 -5	LIGO ve VIRGO dedektörleri	Yerçekimi dalgalarının ve ilişkili radyo dalgalarının, özellikle GW170817'nin analizi .
03/26/2019	74.03 ± 1.42	Hubble Uzay Teleskobu / AYAKKABI	Gözlemi Sefeid ait Büyük Macellan Bulutu Hubble Uzay tarafından (kendi kesin kalibrasyon sonrasında) Teleskobu .
09/11/2020	67,4 ± 0,5	PLANCK 2018	Analiz kozmik yaygın arkaplan gözlemler tarafından yapılan Planck uydusu ( 2020 11 Eylül tarihinde yayımlanan ).
20/12/2012	69,32 ± 0,8	WMAP	Veri analizi WMAP ilgili kozmik diffüz arka ΛCDM modelinin basitleştirilmiş bir versiyonunda diğer kozmik verilerle birleştirilir.
Ağustos 2006	76.9+10.7 -8.7	Çandra	X-ışınları alanında gözlem.
Mayıs 2001	72 ± 8	Hubble uzay teleskobu	Standart mumlar kullanılarak optik alanda analiz .

Ilgili kavramlar

t H olarak belirtilen Hubble zamanı, Hubble sabitinin tersidir:

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

R H olarak belirtilen Hubble yarıçapı, ışığın boşluktaki hızının ( c 0 ) Hubble sabitine oranıdır :

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

S H olarak gösterilen Hubble küresi, gözlemci merkezli, Hubble yarıçapı olan R H yarıçapındaki küredir .

(İç) yüzeyi Hubble ufkudur.

V H ile gösterilen hacmi Hubble hacmidir:

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

Notlar ve referanslar

(in) Hsin-Yu Chen, Maya Fishbach ve Daniel E. Holz, " Beş yıl içinde standart sirenlerden Hubble sabit ölçümü başına yüzde iki " , Nature , cilt. 562,17 Ekim 2018, s. 545-547 ( DOI 10.1038 / s41586-018-0606-0 ).
(tr) Hotokezaka, K.; ve diğ., “ GW170817 olarak jet süperlüminal hareket A Hubble • Sabit ölçüm ” hakkında arXiv ,29 Haziran 2018( 3 Haziran 2020'de erişildi )
(in) Inh Jee ve ark. , “ Hubble sabitinin açısal çap mesafelerinden iki yerçekimi merceğe kadar ölçümü ” , Science , cilt. 365, n o 6458,13 Eylül 2019( çevrimiçi okuyun ).
Natalie Wolchover, " Evrenin genişlemesi: bir hız sorunu " , Bilim için , n o 507,ocak 2020( çevrimiçi okuyun ).
Richard Panek, " Hubble sabitinin kozmik krizi ", In Science , n o 510,nisan 2020, s. 26-34
(in) Johanna L. Miller, " Yerçekimi mercekleme ölçümleri itme-Hubble-sabit tutarsızlık 5σ'yi geçti " , Physics Today ,10 Şubat 2020( DOI 10.1063 / PT.6.1.20200210a ).
(tr) Adam G. Riess , Stefano Casertano, Wenlong Yuan, Lucas M. Macri ve Dan Scolnic, “ Büyük Macellan Bulut Cepheid Standartları, Hubble Sabitinin Belirlenmesi için %1 Temel Sağlar ve Ötesinde Fizik İçin Daha Güçlü Kanıtlar ΛCDM ” , The Astrophysical Journal'da yayınlanmak üzere kabul edildi ,26 Mart 2019( çevrimiçi okuyun ).
(tr) Shajib, AJ; Birrer, S.; Treu, T.; Agnello, A.; ve diğ., “ A 3.9 kuvvetli mercek sistemi DES J0408-5354 gelen Hubble sabitinin yüzde ölçümü ” hakkında arXiv ,14 Ekim 2019( 3 Haziran 2020'de erişildi )
Revue Nature 567, 200, Nisan 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 ve J. Chluba , “ Planck 2018 sonuçları. VI. Kozmolojik parametreler ” , www.cosmos.esa.int adresinde ,2018( Bibcode 2018arXiv180706209P , arXiv 1807.06209 , erişim tarihi 18 Temmuz 2018 )
(tr) Bennett, CL; et al., “ Dokuz yıllık Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Sondası (WMAP) gözlemleri: Nihai haritalar ve sonuçlar ” , arXiv'de ,4 Haziran 2013( 3 Haziran 2020'de erişildi )
(in) Mr. Bonamente, K. Joy, SJ Laroque, I Carlstrom et al. , " Sunyaev-Zel'dovich etkisinden kozmik mesafe ölçeğinin belirlenmesi ve yüksek kırmızıya kaymalı gökada kümesinin Chandra X-ışını ölçümleri" " , The Astrophysical Journal , cilt 647, n o 1,10 Ağu 2006( çevrimiçi okuyun )
(in) Wendy L. Freedman Barry F. Madore Brad K. Gibson , Laura Ferrarese Daniel D. Kelson , Shoko Sakai ve ark. , “ Hubble Sabitini Ölçmek için Hubble Uzay Teleskobu Anahtar Projesinin Nihai Sonuçları ” , Astrophysical Journal , cilt. 553,2001, s. 47–72 ( DOI 10.1086 / 320638 , çevrimiçi okuyun ). Ön baskı burada mevcuttur .

İlgili Makaleler