En krise i kosmologi:Nye data tyder på, at universet udvider sig hurtigere end troet

En gruppe astronomer ledet af University of California, Davis har fået nye data, der tyder på, at universet udvider sig hurtigere end forudsagt.

Undersøgelsen kommer i hælene på en hed debat om, hvor hurtigt universet ballonerer; målingerne indtil videre er uenige.

Holdets nye måling af Hubble-konstanten, eller universets ekspansionshastighed, involveret en anden metode. De brugte NASAs Hubble Space Telescope (HST) i kombination med W. M. Keck Observatorys Adaptive Optics (AO) system til at observere tre gravitationslinsede systemer. Dette er første gang, jordbaseret AO-teknologi er blevet brugt til at opnå Hubble Constant.

"Da jeg begyndte at arbejde med dette problem for mere end 20 år siden, den tilgængelige instrumentering begrænsede mængden af ​​nyttige data, som du kunne få ud af observationerne, " siger medforfatter Chris Fassnacht, Professor i fysik ved UC Davis. "I dette projekt vi bruger Keck Observatory's AO for første gang i den fulde analyse. Jeg har i mange år følt, at AO-observationer kunne bidrage meget til denne indsats."

Holdets resultater er offentliggjort i den seneste online-udgave af Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

For at udelukke enhver skævhed, holdet gennemførte en blind analyse; under behandlingen, de holdt det endelige svar skjult for selv dem selv, indtil de var overbeviste om, at de havde adresseret så mange mulige fejlkilder, som de kunne komme i tanke om. Dette forhindrede dem i at foretage nogen justeringer for at komme til den "korrekte" værdi, undgå bekræftelsesbias.

"Da vi troede, at vi havde taget hånd om alle mulige problemer med analysen, vi afblænder svaret med reglen om, at vi skal offentliggøre den værdi, vi finder, selvom det er skørt. Det er altid et spændt og spændende øjeblik, " siger hovedforfatter Geoff Chen, en kandidatstuderende ved UC Davis Physics Department.

Afblændingen afslørede en værdi, der er i overensstemmelse med Hubble Constant-målinger taget fra observationer af "lokale" objekter tæt på Jorden, såsom nærliggende Type Ia-supernovaer eller gravitationslinsede systemer; Chens team brugte sidstnævnte objekter i deres blinde analyse.

Holdets resultater tilføjer voksende beviser på, at der er et problem med standardmodellen for kosmologi, som viser, at universet udvidede sig meget hurtigt tidligt i sin historie, derefter aftog ekspansionen på grund af tyngdekraften fra mørkt stof, og nu accelererer udvidelsen igen på grund af mørk energi, en mystisk kraft.

Denne model af universets ekspansionshistorie er samlet ved hjælp af traditionelle Hubble Constant-målinger, som er taget fra "fjerne" observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) – reststråling fra Big Bang, da universet begyndte for 13,8 milliarder år siden.

For nylig, mange grupper begyndte at bruge forskellige teknikker og studere forskellige dele af universet for at opnå Hubble-konstanten og fandt ud af, at værdien opnået fra "lokale" versus "fjerne" observationer er uenige.

"Deri ligger krisen i kosmologien, " siger Fassnacht. "Mens Hubble-konstanten er konstant overalt i rummet på et givet tidspunkt, den er ikke konstant i tid. Så, når vi sammenligner Hubble-konstanterne, der kommer ud af forskellige teknikker, vi sammenligner det tidlige univers (ved hjælp af fjerne observationer) med det sene, mere moderne del af universet (ved hjælp af lokale, nærliggende observationer)."

Dette tyder på, at der enten er et problem med CMB-målingerne, hvilket holdet siger er usandsynligt, eller standardmodellen for kosmologi skal ændres på en eller anden måde ved hjælp af ny fysik for at rette uoverensstemmelsen.

Metodik

Ved at bruge Keck Observatorys AO-system med det nær-infrarøde kamera, anden generation (NIRC2) instrument på Keck II-teleskopet, Chen og hans team opnåede lokale målinger af tre velkendte linsebaserede kvasarsystemer:PG1115+ 080, HE0435-1223, og RXJ1131-1231.

Kvasarer er ekstremt lyse, aktive galakser, ofte med massive jetfly drevet af et supermassivt sort hul, der omgiver det glubende ætsende materiale.

Selvom kvasarer ofte er ekstremt langt væk, astronomer er i stand til at detektere dem gennem gravitationslinser, et fænomen, der fungerer som naturens forstørrelsesglas. Når en tilstrækkelig massiv galakse tættere på Jorden kommer i vejen for lys fra en meget fjern kvasar, galaksen kan fungere som en linse; dets gravitationsfelt fordrejer selve rummet, at bøje baggrundsquasarens lys til flere billeder og få det til at se ekstra lyst ud.

Til tider, kvasarens lysstyrke flimrer, og da hvert billede svarer til en lidt forskellig vejlængde fra kvasar til teleskop, flimmerne vises på lidt forskellige tidspunkter for hvert billede – de ankommer ikke alle til Jorden på samme tid.

Med HE0435-1223, PG1115+ 080, og RXJ1131-1231, holdet målte omhyggeligt disse tidsforsinkelser, som er omvendt proportional med værdien af ​​Hubble-konstanten. Dette gør det muligt for astronomer at afkode lyset fra disse fjerne kvasarer og indsamle information om, hvor meget universet har udvidet sig i løbet af den tid, lyset har været på vej til Jorden.

"En af de vigtigste ingredienser i at bruge gravitationslinser til at måle Hubble-konstanten er følsom og højopløselig billeddannelse, sagde Chen. Indtil nu, de bedste linsebaserede Hubble Constant-målinger alle involveret ved hjælp af data fra HST. Da vi afblindede, vi fandt to ting. Først, vi havde konsistente værdier med tidligere målinger, der var baseret på HST-data, beviser, at AO-data kan være et effektivt alternativ til HST-data i fremtiden. For det andet vi fandt ud af, at kombinationen af ​​AO- og HST-dataene gav et mere præcist resultat."

Næste skridt

Chen og hans team, såvel som mange andre grupper over hele planeten, laver mere forskning og observationer for yderligere at undersøge. Nu hvor Chens team har bevist, at Keck Observatorys AO-system er lige så kraftfuldt som HST, astronomer kan tilføje denne metode til deres spand af teknikker, når de måler Hubble-konstanten.

"Vi kan nu prøve denne metode med mere linsede kvasarsystemer for at forbedre præcisionen af ​​vores måling af Hubble-konstanten. Måske vil dette føre os til en mere komplet kosmologisk model af universet, " siger Fassnacht.