Kosmiske forstørrelsesglas giver et uafhængigt mål for universets ekspansion

Et hold af astronomer, der bruger NASAs Hubble-rumteleskop, har målt universets ekspansionshastighed ved hjælp af en teknik, der er fuldstændig uafhængig af enhver tidligere metode.

At kende den præcise værdi for, hvor hurtigt universet udvider sig, er vigtigt for at bestemme alderen, størrelse, og kosmos skæbne. At optrevle dette mysterium har været en af ​​de største udfordringer inden for astrofysik i de senere år. Den nye undersøgelse tilføjer bevis til ideen om, at nye teorier kan være nødvendige for at forklare, hvad videnskabsmænd finder.

Forskernes resultat styrker yderligere en bekymrende uoverensstemmelse mellem ekspansionshastigheden, kaldet Hubble-konstanten, beregnet ud fra målinger af lokaluniverset og hastigheden som forudsagt fra baggrundsstråling i det tidlige univers, en tid før galakser og stjerner overhovedet eksisterede.

Denne seneste værdi repræsenterer den mest præcise måling endnu ved brug af gravitationslinsemetoden, hvor tyngdekraften af ​​en forgrundsgalakse virker som en gigantisk forstørrelseslinse, forstærker og forvrænger lys fra baggrundsobjekter. Denne seneste undersøgelse stolede ikke på den traditionelle "kosmiske afstandsstige"-teknik til at måle nøjagtige afstande til galakser ved at bruge forskellige typer stjerner som "milepostmarkører". I stedet, forskerne brugte den eksotiske fysik ved gravitationslinser til at beregne universets ekspansionshastighed.

Astronomiholdet, der lavede de nye Hubble konstante målinger, kaldes H0LiCOW (H0-linser i COSMOGRAIL's Wellspring). COSMOGRAIL er akronymet for Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, et stort internationalt projekt, hvis mål er at overvåge gravitationslinser. "Wellspring" refererer til det rigelige udbud af kvasar linsesystemer.

Forskerholdet udledte H0LiCOW-værdien for Hubble-konstanten gennem observations- og analyseteknikker, der er blevet meget raffineret i løbet af de sidste to årtier.

H0LiCOW og andre nylige målinger tyder på en hurtigere ekspansionshastighed i lokaluniverset end forventet baseret på observationer fra Den Europæiske Rumorganisations Planck-satellit af, hvordan kosmos opførte sig for mere end 13 milliarder år siden.

Kløften mellem de to værdier har vigtige konsekvenser for forståelsen af ​​universets underliggende fysiske parametre og kan kræve ny fysik for at redegøre for misforholdet.

"Hvis disse resultater ikke stemmer overens, det kan være et hint om, at vi endnu ikke helt forstår, hvordan stof og energi udviklede sig over tid, især i tidlige tider, " sagde H0LiCOW-teamleder Sherry Suyu fra Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland, det tekniske universitet i München, og Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics i Taipei, Taiwan.

Hvordan de gjorde det

H0LiCOW-holdet brugte Hubble til at observere lyset fra seks fjerne kvasarer, de strålende søgelys fra gas, der kredser om supermassive sorte huller i centrum af galakser. Kvasarer er ideelle baggrundsobjekter af mange grunde; for eksempel, de er lyse, ekstremt fjernt, og spredt over hele himlen. Teleskopet observerede, hvordan lyset fra hver kvasar blev multipliceret til fire billeder af tyngdekraften af ​​en massiv forgrundsgalakse. De undersøgte galakser er 3 milliarder til 6,5 milliarder lysår væk. Kvasarernes gennemsnitlige afstand er 5,5 milliarder lysår fra Jorden.

Lysstrålerne fra hvert linsede kvasarbillede tager en lidt anderledes vej gennem rummet for at nå Jorden. Banens længde afhænger af mængden af ​​stof, der forvrænger rummet langs synslinjen til kvasaren. For at spore hver vej, astronomerne overvåger flimren fra kvasarens lys, mens dets sorte hul opsluger materiale. Når lyset flimrer, hvert linsebillede lyser på et andet tidspunkt.

Denne flimrende sekvens gør det muligt for forskere at måle tidsforsinkelserne mellem hvert billede, når det linselys bevæger sig langs sin vej til Jorden. For fuldt ud at forstå disse forsinkelser, holdet brugte først Hubble til at lave nøjagtige kort over fordelingen af ​​stof i hver linsegalakse. Astronomer kunne derefter pålideligt udlede afstandene fra galaksen til kvasaren, og fra Jorden til galaksen og til baggrundsquasaren. Ved at sammenligne disse afstandsværdier, forskerne målte universets ekspansionshastighed.

"Længden af ​​hver tidsforsinkelse angiver, hvor hurtigt universet udvider sig, " sagde teammedlem Kenneth Wong fra University of Tokyos Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, hovedforfatter på H0LiCOW-samarbejdets seneste papir. "Hvis tidsforsinkelserne er kortere, så udvider universet sig med en hurtigere hastighed. Hvis de er længere, så er ekspansionshastigheden langsommere."

Tidsforsinkelsesprocessen er analog med, at fire tog forlader den samme station på nøjagtig samme tid og kører med samme hastighed for at nå den samme destination. Imidlertid, hvert af togene ankommer til destinationen på et andet tidspunkt. Det er fordi hvert tog tager en anden rute, og afstanden for hver rute er ikke den samme. Nogle tog kører over bakker. Andre går gennem dale, og atter andre tøffer rundt i bjerge. Fra de varierede ankomsttider, man kan udlede, at hvert tog kørte en forskellig afstand for at nå det samme stop. Tilsvarende kvasarens flimrende mønster vises ikke på samme tid, fordi noget af lyset forsinkes ved at rejse rundt i sving skabt af tyngdekraften af ​​tæt stof i den mellemliggende galakse.

Hvordan det sammenligner

Forskerne beregnede en Hubble-konstantværdi på 73 kilometer i sekundet pr. megaparsec (med 2,4 % usikkerhed). Det betyder, at for hver yderligere 3,3 millioner lysår væk er en galakse fra Jorden, det ser ud til at bevæge sig 73 kilometer i sekundet hurtigere, på grund af universets udvidelse.

Holdets måling er også tæt på Hubble konstantværdien på 74 beregnet af Supernova H0 for Equation of State (SH0ES) holdet, som brugte den kosmiske afstandsstigeteknik. SH0ES-målingen er baseret på at måle afstande til galakser nær og langt fra Jorden ved at bruge Cepheid-variable stjerner og supernovaer som målestokke til galakserne.

SH0ES- og H0LiCOW-værdierne afviger væsentligt fra Planck-tallet på 67, styrkelse af spændingen mellem Hubbles konstante målinger af det moderne univers og den forudsagte værdi baseret på observationer af det tidlige univers.

"En af de udfordringer, vi overvandt, var at have dedikerede overvågningsprogrammer gennem COSMOGRAIL for at få tidsforsinkelser for flere af disse kvasarlinsesystemer, " sagde Frédéric Courbin fra Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, leder af COSMOGRAIL projektet.

Suyu tilføjede:"Samtidig, nye massemodelleringsteknikker blev udviklet til at måle en galakses stoffordeling, inklusive modeller, vi har designet til at gøre brug af Hubble-billeddannelse i høj opløsning. Billederne gjorde det muligt for os at rekonstruere, for eksempel, kvasarernes værtsgalakser. Disse billeder, sammen med yderligere bredere feltbilleder taget fra jordbaserede teleskoper, giver os også mulighed for at karakterisere miljøet i linsesystemet, som påvirker bøjningen af ​​lysstråler. De nye massemodelleringsteknikker, i kombination med tidsforsinkelser, hjælpe os med at måle præcise afstande til galakserne."

Påbegyndt i 2012, H0LiCOW-teamet har nu Hubble-billeder og tidsforsinkelsesoplysninger for 10 linsede kvasarer og mellemliggende linsegalakser. Holdet vil fortsætte med at søge efter og følge op på nye linsede kvasarer i samarbejde med forskere fra to nye programmer. Et program, kaldet STRIDES (STRong-linsing Insights into Dark Energy Survey), søger efter nye linsebaserede kvasarsystemer. Sekundet, kaldet SHARP (Strong-linsing at High Angular Resolution Program), bruger adaptiv optik med W.M. Keck teleskoper til at afbilde linsesystemerne. Holdets mål er at observere 30 flere linsebaserede kvasarsystemer for at reducere deres 2,4 % procent usikkerhed til 1 %.

NASAs kommende James Webb-rumteleskop, forventes lanceret i 2021, kan hjælpe dem med at nå deres mål om 1 % usikkerhed meget hurtigere gennem Webbs evne til at kortlægge stjernernes hastigheder i en linsegalakse, som vil give astronomer mulighed for at udvikle mere præcise modeller af galaksens fordeling af mørkt stof.

H0LiCOW-teamets arbejde baner også vejen for at studere hundredvis af linsede kvasarer, som astronomer opdager gennem undersøgelser såsom Dark Energy Survey og PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), og det kommende National Science Foundation's Large Synoptic Survey Telescope, som forventes at afdække tusindvis af yderligere kilder.

Ud over, NASAs Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) vil hjælpe astronomer med at adressere uenigheden i Hubble-konstantværdien ved at spore universets ekspansionshistorie. Missionen vil også bruge flere teknikker, såsom at tage prøver af tusindvis af supernovaer og andre objekter på forskellige afstande, for at hjælpe med at afgøre, om uoverensstemmelsen er et resultat af målefejl, observationsteknik, eller om astronomer skal justere den teori, som de udleder deres forudsigelser fra.

Holdet vil præsentere sine resultater på det 235. møde i American Astronomical Society i Honolulu, Hawaii.