Hvor hurtigt udvider universet sig? Hubble og Gaia går sammen om at udføre de mest nøjagtige målinger til dato
I 1920'erne gjorde Edwin Hubble den banebrydende opdagelse, at universet var i en tilstand af ekspansion. Oprindeligt forudsagt som en konsekvens af Einsteins almene relativitetsteori , blev målinger af denne ekspansion kendt som Hubbles konstant . I dag og ved hjælp af næste generations teleskoper - som det passende navngivne Hubble rumteleskop (HST) – astronomer har genmålt og revideret denne lov mange gange.
Disse målinger bekræftede, at ekspansionshastigheden er steget over tid, selvom forskerne stadig er usikre på hvorfor. Det seneste målinger blev udført af et internationalt hold ved hjælp afHubble,som derefter sammenlignede deres resultater med data indhentet af European Space Agency (ESA) Gaiaobservatorium . Dette har ført til de mest præcise målinger af Hubble-konstanten til dato, selvom der stadig er spørgsmål om kosmisk acceleration.
Undersøgelsen, der beskriver deres resultater, dukkede op i 12. juli-udgaven afAstrofysisk tidsskrift,med titlen ' Mælkevejens Cepheid-standarder for måling af kosmiske afstande og anvendelse på Gaia DR2: Implikationer for Hubble-konstanten. ” Holdet bag undersøgelsen omfattede medlemmer fra Space Telescope Science Institute (STScI), Johns Hopkins University, den National Institute for Astrophysics (INAF), UC Berkeley, Texas A&M University og Europæisk Sydobservatorium (AT).
Denne illustration viser tre trin, som astronomer brugte til at måle universets ekspansionshastighed (Hubbles konstant) med en hidtil uset nøjagtighed. Kreditering: NASA, ESA, A. Feild (STScI) og A. Riess (STScI/JHU)
Siden 2005 har Adam Riess – en nobelprismodtager professor ved Space Telescope Science Institute og Johns Hopkins University – arbejdet på at forfine Hubble Constant-værdien ved at strømline og styrke den 'kosmiske afstandsstige'. Sammen med sit hold, kendt som Supernova H0 for statsligningen (SH0ES), har de med succes reduceret usikkerheden forbundet med hastigheden af kosmisk ekspansion til kun 2,2 %
For at nedbryde det har astronomer traditionelt brugt den 'kosmiske afstandsstige' til at måle afstande i universet. Dette består i at stole på afstandsmarkører som Cepheid variabler i fjerne galakser – pulserende stjerner, hvis afstande kan udledes ved at sammenligne deres iboende lysstyrke med deres tilsyneladende lysstyrke. Disse målinger sammenlignes derefter med den måde, lyset fra fjerne galakser rødforskydes for at bestemme, hvor hurtigt rummet mellem galakserne udvider sig.
Herfra er Hubble-konstanten afledt. En anden metode, der bruges, er at observere Kosmisk mikroovn baggrund (CMB) for at spore udvidelsen af kosmos under det tidlige univers – ca. 378.000 år efter Big Bang - og derefter bruge fysik til at ekstrapolere det til den nuværende ekspansionshastighed. Tilsammen skal målingerne give en ende-til-ende måling af, hvordan universet har udvidet sig over tid.
Astronomer har dog i nogen tid vidst, at de to målinger ikke stemmer overens. I en tidligere undersøgelse , Riess og hans team udførte målinger ved hjælp afHubbleat opnå en Hubble Constant-værdi på 73 km/s (45,36 mps) pr. megaparsec (3,3 millioner lysår). I mellemtiden er resultater baseret på ESA' Planckobservatorium (som observerede CMB mellem 2009 og 2013) forudsagde, at Hubble-konstantværdien nu skulle være 67 km/s (41,63 mps) pr. megaparsec og ikke højere end 69 km/s (42,87 mps) – hvilket repræsenterer en uoverensstemmelse på 9 %.
Et multi-farve all-sky billede af mikrobølge himlen. Kredit: ESA, HFI og LFI konsortier
Som Riess antydede i en nylig NASA pressemeddelelse :
'Spændingen ser ud til at være vokset til en fuldstændig uforenelighed mellem vores syn på det tidlige og sene tidsunivers. På dette tidspunkt er det tydeligvis ikke blot en grov fejl i en måling. Det er, som om du forudsagde, hvor højt et barn ville blive ud fra et vækstdiagram og så fandt ud af, at den voksne, han eller hun blev, oversteg forudsigelsen meget. Vi er meget forvirrede.'
I dette tilfælde brugte Riess og hans kollegerHubbleat måle lysstyrken af fjerne Cepheid-variabler, mensGaiaforudsat den parallakseinformation – den tilsyneladende ændring i et objekts position baseret på forskellige synsvinkler – der er nødvendige for at bestemme afstanden.Gaiaogså tilføjet til undersøgelsen ved at måle afstanden til 50 Cepheid-variabler i Mælkevejen, som blev kombineret med lysstyrkemålinger fra Hubble.
Dette gjorde det muligt for astronomerne at kalibrere cepheiderne mere nøjagtigt og derefter bruge dem, der ses uden for Mælkevejen, som milepælsmarkører. Bruger bådeHubblemålinger og nyfrigivne data fraGaia,Riess og hans kolleger var i stand til at forfine deres målinger på den nuværende ekspansionshastighed til 73,5 kilometer (45,6 miles) per sekund per megaparsek.
ESAs Gaia er i øjeblikket på en femårig mission for at kortlægge stjernerne i Mælkevejen. Billedkredit: ESA/ATG medialab; baggrund: ESO/S. Brunier.
Som Stefano Casertano fra Space Telescope Science Institute og medlem af SHOES-teamet tilføjede:
'Hubble er virkelig fantastisk som et observatorium til generelle formål, men Gaia er den nye guldstandard for kalibrering af afstand. Det er specialbygget til måling af parallakse - det er det, det er designet til at gøre. Gaia bringer en ny evne til at omkalibrere alle tidligere afstandsmål, og det ser ud til at bekræfte vores tidligere arbejde. Vi får det samme svar for Hubble-konstanten, hvis vi erstatter alle tidligere kalibreringer af afstandstigen med kun Gaia-parallakserne. Det er et krydstjek mellem to meget kraftfulde og præcise observatorier.'
Med et blik på fremtiden håber Riess og hans team at fortsætte med at arbejde medGaiaså de kan reducere usikkerheden forbundet med værdien af Hubble-konstanten til kun 1 % i begyndelsen af 2020'erne. I mellemtiden vil uoverensstemmelsen mellem moderne ekspansionshastigheder og dem, der er baseret på CMB, fortsat være et puslespil for astronomer.
I sidste ende kan dette være en indikation af, at anden fysik er på arbejde i vores univers, at mørkt stof interagerer med normalt stof på en måde, der er anderledes, end hvad videnskabsmænd formoder, eller at mørk energi kan være endnu mere eksotisk end tidligere antaget. Uanset årsagen er det klart, at universet stadig har nogle overraskelser i vente for os!
Yderligere læsning: NASA