Hubble gerilimi: evrenin genişleme hızındaki uyuşmazlık

Evrenin bugünkü genişleme hızını gösteren Hubble sabiti (H0), kozmolojinin en temel sayılarından biridir: evrenin yaşını, büyüklüğünü ve geleceğini hesaplamak için ona ihtiyaç vardır. Son on yılda bu sayıyı ölçen iki büyük yöntem grubu, birbirine çok yakın ama istatistiksel olarak uzlaşmaz iki sonuç vermeye başladı. Bu uyuşmazlığa Hubble gerilimi denir. Bugün kozmolojinin en çok tartışılan açık sorunlarından biridir. Hubble-Lemaître yasasının kendisi "Evrenin genişlemesi ve Hubble-Lemaître yasası" sayfasında anlatılıyor.

İki yol, iki sonuç

Erken evren yöntemi: Kozmik mikrodalga arka plandaki desenler, evren yalnızca 380.000 yaşındayken çekilmiş bir fotoğraf gibidir. Bu fotoğraftan, standart kozmoloji modeli (ΛCDM) varsayılarak, evrenin bugün hangi hızla genişlemesi gerektiği hesaplanır. ESA'nın Planck uydusunun 2018 sonucu 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc'dir. Yer konuşlu teleskoplarla yapılan bağımsız KMA ölçümleri de benzer sonuçlar veriyor: Atacama Kozmoloji Teleskobu 2020'de evrenin gözlenenden daha yavaş genişlemesi gerektiğini öngördü; SPT-3G 2023'te 68,3 ± 1,5 km/s/Mpc buldu.

Yakın evren yöntemi (uzaklık merdiveni): Uzaklığı bilinen Sefeid değişen yıldızları aracılığıyla Ia türü süpernovaların gerçek parlaklığı ayarlanır, süpernovalar da daha uzak galaksilerin uzaklığını verir. Bu "uzaklık merdiveni" ile doğrudan ölçülen değerler 73 km/s/Mpc civarında toplanıyor. SH0ES ekibi 2019'da Hubble Uzay Teleskobu ile 74,03 ± 1,42, 2021'de ise 73,04 ± 1,04 km/s/Mpc buldu; bu son değer Planck ile 5 sigma düzeyinde bir uyuşmazlık demektir.

İki değer arasındaki fark yüzde 8-9 civarında küçük görünebilir. Ancak her iki ölçümün belirsizlik payları o kadar küçüldü ki fark artık şansla açıklanamıyor: erken ve geç evren ölçümleri arasındaki uyuşmazlık 5 sigmanın üzerinde. Fizikte 5 sigma, bir sonucun rastlantı olma olasılığının çok düşük olduğunu gösteren geleneksel eşiktir.

Webb devreye giriyor

Gerilim ortaya çıktığında ilk akla gelen açıklama, uzaklık merdiveninde bir ölçüm hatasıydı. Örneğin kalabalık galaksilerde Sefeid yıldızlarının ışığı komşu yıldızların ışığıyla karışıyor olabilirdi. James Webb Uzay Teleskobu'nun daha keskin kızılötesi görüşü bu olasılığı sınamak için kullanıldı. NASA'nın Mart 2024'te duyurduğu çalışmada Webb, sekiz Ia türü süpernovanın bulunduğu beş galaksideki toplam 1000 Sefeid yıldızını gözledi; bunların en uzağı yaklaşık 130 milyon ışık yılı uzaklıktaki NGC 5468 galaksisidir. Webb'in ölçümleri Hubble'ın ölçümlerini doğruladı.

"Ölçüm hataları ortadan kalktığında geriye, evreni yanlış anlamış olmamızın gerçek ve heyecan verici olasılığı kalıyor." — Adam Riess (Johns Hopkins Üniversitesi), NASA, 2024

Ara değerler: kırmızı dev kolu yöntemi

Tablo yine de tamamen net değil. Freedman ve arkadaşlarının yürüttüğü Carnegie-Chicago Hubble Programı (CCHP), Sefeidler yerine yaşlı kırmızı dev yıldızların parlaklık sınırını (kırmızı dev kolunun ucu, TRGB) kullanarak 2019'da 69,8 ± 1,9 km/s/Mpc buldu; 2025'te Webb ve Hubble verileriyle 70,39 ± 1,94 km/s/Mpc açıkladı. Bu değerler iki uç arasında kalıyor. SH0ES ve CCHP verilerinin birlikte kullanıldığı 2024 tarihli bir Webb analizi ise 72,6 ± 2,0 km/s/Mpc verdi. H0DN işbirliğinin Nisan 2026'da yaklaşık yüzde 1 hassasiyetle ve bir topluluk uzlaşısı olarak sunduğu değer ise 73,50 ± 0,81 km/s/Mpc'dir.

Bağımsız yöntemler

Sefeidlere ve kırmızı devlere bağlı olmayan yöntemler de deneniyor:

• Kütleçekim dalgaları: 2017'de gözlenen GW170817 nötron yıldızı birleşmesi, bir "standart siren" olarak kullanıldı ve 2019'da 73,3 (+5,3/−5,0) km/s/Mpc verdi. Belirsizlik payı henüz büyük.
• Kilonova: Aynı olayın kilonovası AT2017gfo'nun genişleyen ışık yüzeyiyle 2023'te 67,0 ± 3,6 km/s/Mpc bulundu.
• Megamaserler: Bazı galaksilerin çekirdeklerindeki doğal mikrodalga yükselteçlerini (maser) kullanan Megamaser Kozmoloji Projesi'nin 2020 sonuçları uzaklık merdiveniyle uyuştu, erken evren sonuçlarından yüzde 95 anlamlılıkla ayrıştı.

Olası açıklamalar

Gerilimin nedeni bilinmiyor. Öne sürülen açıklamalar iki gruba ayrılıyor:

Ölçüm kaynaklı açıklamalar

• Bilinmeyen sistematik hata: Ya erken ya da geç evren ölçümlerinde hesaba katılmamış bir hata olabilir. Ancak bu, birbirinden bağımsız pek çok etkinin ve farklı aletlerin aynı yönde yanılmasını gerektirir. Webb sonuçları, en azından Sefeid ölçümlerindeki hatanın tek başına bu farkı açıklayamayacağını gösterdi.
• Küçümsenmiş belirsizlikler: Ölçümlerin kendi içindeki tutarlılığı göz önüne alındığında bu olasılık zayıf görülüyor.

Yeni fizik önerileri

• Erken karanlık enerji: Evrenin ilk dönemlerinde kısa süre etkili olmuş ek bir karanlık enerji bileşeni (Poulin ve arkadaşları, 2019).
• Zamanla değişen karanlık enerji: Karanlık enerjinin yoğunluğu sabit değilse genişleme geçmişi farklı olur. DESI deneyinin 2024 ve 2025 sonuçlarının karanlık enerjinin zamanla zayıflıyor olabileceğini düşündürmesi bu fikre ilgiyi artırdı. Ayrıntısı "Karanlık enerji" sayfasında.
• Bozunan karanlık madde: Karanlık maddenin bir kısmının "karanlık ışınıma" bozunması (Berezhiani ve arkadaşları, 2015).
• Yerel boşluk: Samanyolu'nun ortalamadan daha seyrek bir bölgede (örneğin KBC boşluğu) bulunması, yakındaki genişlemeyi hızlı ölçmemize yol açabilir. Ancak süpernova ve baryon akustik salınım gözlemleriyle uyuşması için böyle bir boşluğun çok büyük olması gerekir.
• Değiştirilmiş kütleçekim ya da kozmolojik ilkenin ihlali: Genel göreliliğin büyük ölçeklerde değiştirilmesi ya da evrenin her yerde aynı olmaması da öneriler arasında.

Bazı araştırmacılar yalnızca erken evrene eklenen yeni fiziğin yetmeyeceğini (Vagnozzi, 2023), bazıları ise yalnızca geç evrene eklenen yeni fiziğin yetmeyeceğini (Keeley ve Shafieloo, 2023) savunuyor. Yani tek bir basit düzeltme henüz bulunabilmiş değil.

Gelecek gözlemler

Gerilimin çözümü için yeni nesil gözlemlere bel bağlanıyor. ESA'nın 2023'te fırlatılan Euclid teleskobu milyarlarca galaksinin haritasını çıkarıyor. NASA'nın Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu 30 Ağustos 2026'da fırlatıldı; karanlık enerjiyi incelemek ve Ia türü süpernovaları taramak üzere tasarlandı. Daha fazla kütleçekim dalgası kaynağı da bağımsız bir "standart siren" ölçümüne olanak verecek.

Kısaca

• KMA'dan hesaplanan H0 yaklaşık 67-68, uzaklık merdiveniyle ölçülen yaklaşık 73 km/s/Mpc.
• Uyuşmazlık 5 sigmanın üzerinde; rastlantıyla açıklanamıyor.
• Webb, Hubble'ın Sefeid ölçümlerini doğruladı; basit bir ölçüm hatası olasılığı zayıfladı.
• Kırmızı dev kolu yöntemi 70 civarında ara değerler veriyor; tablo tam net değil.
• Erken karanlık enerji, değişen karanlık enerji, yerel boşluk gibi açıklamalar öneriliyor; hiçbiri kanıtlanmış değil.

Kaynaklar: Wikipedia — Hubble tension, Wikipedia — Hubble's law, NASA — Webb, Hubble affirm universe's expansion rate, puzzle persists, Wikipedia — Dark energy, NASA — Dark energy