Gravitationslinser måler universets ekspansion

Det er en af ​​de store kosmologiske debatter:Universet udvider sig, men hvor hurtigt præcist? To tilgængelige målinger giver forskellige resultater. Leiden-fysikeren David Harvey tilpassede en uafhængig tredje målemetode ved hjælp af lysforvridningsegenskaberne for galakser forudsagt af Einstein. Han offentliggjorde sine resultater i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

Vi har i næsten et århundrede vidst om universets udvidelse. Astronomer bemærkede, at lyset fra fjerne galakser har en lavere bølgelængde end galakser tæt på. Lysbølgerne virker strakte, eller rødforskudt, hvilket betyder, at de fjerne galakser bevæger sig væk.

Denne ekspansionshastighed, kaldet Hubble-konstanten, kan måles. Visse supernovaer, eller eksploderende stjerner, har en velforstået lysstyrke; dette gør det muligt at estimere deres afstand fra Jorden og relatere denne afstand til deres rødforskydning eller hastighed. For hver megaparsec af afstand (en parsec er 3,3 lysår), den hastighed, som galakserne trækker sig fra os, stiger med 73 kilometer i sekundet.

Einstein

Imidlertid, stadig mere nøjagtige målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund, en rest af lys i det meget tidlige univers, gav en anden Hubble-konstant:omkring 67 kilometer i sekundet.

Hvordan kan det være? Hvorfor forskellen? Kunne denne forskel fortælle os noget nyt om universet og fysikken? "Det her, " siger Leiden fysiker David Harvey, "er grunden til en tredje måling, uafhængig af de to andre, er kommet til syne:gravitationslinser."

Albert Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger, at en koncentration af masse, såsom en galakse, kan bøje lysets vej, ligesom en linse gør. Når en galakse er foran en skarp lyskilde, lyset er bøjet omkring det og kan nå Jorden via forskellige ruter, giver to, og nogle gange endda fire, billeder af samme kilde.

HoliCOW

I 1964, den norske astrofysiker Sjur Refsdal havde et "a-ha" øjeblik:Når linsegalaksen er en smule off-center, den ene rute er længere end den anden. Det betyder, at lyset tager længere tid ad den vej. Så når der er en variation af kvasarens lysstyrke, denne blip vil være synlig på det ene billede før det andet. Forskellen kan være dage, eller endda uger eller måneder.

Denne tidsforskel, Refsdal viste, kan også bruges til at fastlægge afstande til kvasaren og linsen. Sammenligning af disse med rødforskydningen af ​​kvasarerne giver dig en uafhængig måling af Hubble-konstanten.

Et forskningssamarbejde under HoliCOW-projektet brugte seks af disse linser til at indsnævre Hubble-konstanten til omkring 73. der er komplikationer:bortset fra afstandsforskellen, massen af ​​forgrundsgalaksen udøver også en forsinkende effekt, afhængig af den nøjagtige massefordeling. "Du skal modellere den fordeling, men en masse ubekendte er tilbage, " siger Harvey. Usikkerheder som denne begrænser nøjagtigheden af ​​denne teknik.

Billedbilleder af hele himlen

Dette kan ændre sig, når et nyt teleskop ser det første lys i Chile i 2021. Vera Rubin-observatoriet er dedikeret til at afbilde hele himlen hvert par nætter, og forventes at afbilde tusindvis af dobbelte kvasarer, tilbyder en chance for at indsnævre Hubble-konstanten endnu mere.

Harvey siger, "Problemet er, at modellering af alle disse forgrundsgalakser individuelt er umuligt beregningsmæssigt." Så i stedet Harvey designede en metode til at beregne den gennemsnitlige effekt af en fuld fordeling på op til 1, 000 linser.

"I det tilfælde, individuelle særheder ved gravitationslinserne er ikke så vigtige, og du behøver ikke lave simuleringer for alle linserne. Du skal bare sørge for at modellere hele befolkningen, " siger Harvey.

"I avisen, Jeg viser, at med denne tilgang, fejlen i Hubbles konstante tærskler på 2 %, når du nærmer dig tusindvis af kvasarer."

Denne fejlmargin vil tillade en meningsfuld sammenligning mellem de adskillige Hubble konstante kandidater, og kunne hjælpe med at forstå uoverensstemmelsen. "Og hvis du vil ned under 2 %, du er nødt til at forbedre din model ved at lave bedre simuleringer. Mit gæt er, at dette ville være muligt."