Forbedret Hubble -målestok giver nyt bevis for ny fysik i universet

Astronomer har brugt NASAs Hubble -rumteleskop til at foretage de mest præcise målinger af universets ekspansionshastighed, siden det først blev beregnet for næsten et århundrede siden. Spændende nok, resultaterne tvinger astronomer til at overveje, at de måske ser tegn på noget uventet på arbejde i universet.

Det skyldes, at det seneste Hubble -fund bekræfter en nagende uoverensstemmelse, der viser, at universet ekspanderer hurtigere nu end forventet fra dets bane set kort efter big bang. Forskere antyder, at der kan være ny fysik til at forklare inkonsekvensen.

"Fællesskabet kæmper virkelig med at forstå betydningen af ​​denne uoverensstemmelse, "sagde hovedforsker og nobelpristager Adam Riess fra Space Telescope Science Institute (STScI) og Johns Hopkins University, begge i Baltimore, Maryland.

Riess 'team, som omfatter Stefano Casertano, også af STScI og Johns Hopkins, har brugt Hubble i de sidste seks år til at forfine målingerne af afstandene til galakser, ved at bruge deres stjerner som milepælsmarkører. Disse målinger bruges til at beregne, hvor hurtigt universet udvider sig med tiden, en værdi kendt som Hubble -konstanten. Teamets nye undersøgelse udvider antallet af analyserede stjerner til afstande op til 10 gange længere ind i rummet end tidligere Hubble -resultater.

Men Riess værdi forstærker forskellen med den forventede værdi, der stammer fra observationer af det tidlige universs ekspansion, 378, 000 år efter big bang - den voldelige begivenhed, der skabte universet for cirka 13,8 milliarder år siden. Disse målinger blev foretaget af European Space Agency's Planck -satellit, som kortlægger den kosmiske mikrobølge baggrund, en levning fra big bang. Forskellen mellem de to værdier er omkring 9 procent. De nye Hubble -målinger hjælper med at reducere chancen for, at uoverensstemmelsen i værdierne er en tilfældighed til 1 ud af 5, 000.

Plancks resultat forudsagde, at Hubbles konstante værdi nu skulle være 67 kilometer i sekundet pr. Megaparsek (3,3 millioner lysår), og kunne ikke være højere end 69 kilometer i sekundet pr. megaparsek. Det betyder, at for hver 3,3 millioner lysår længere væk er en galakse fra os, den bevæger sig 67 kilometer i sekundet hurtigere. Men Riess hold målte en værdi på 73 kilometer i sekundet pr. Megaparsek, indikerer, at galakser bevæger sig hurtigere end antydet ved observationer af det tidlige univers.

Hubble -dataene er så præcise, at astronomer ikke kan afvise kløften mellem de to resultater som fejl i en enkelt måling eller metode. "Begge resultater er blevet testet på flere måder, så udelukkende en række uafhængige fejl, "Forklarer Riess, "det er mere og mere sandsynligt, at dette ikke er en fejl, men en funktion i universet."

Forklarer en Vexing -uoverensstemmelse

Riess skitserede et par mulige forklaringer på uoverensstemmelsen, alt relateret til de 95 procent af universet, der er indhyllet i mørke. En mulighed er den mørke energi, allerede kendt for at accelerere kosmos, kan skubbe galakser væk fra hinanden med endnu større - eller voksende - styrke. Dette betyder, at selve accelerationen måske ikke har en konstant værdi i universet, men ændrer sig over tid i universet. Riess delte en nobelpris for 1998 -opdagelsen af ​​det accelererende univers.

En anden idé er, at universet indeholder en ny subatomær partikel, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. Sådanne hurtige partikler kaldes samlet "mørk stråling" og omfatter tidligere kendte partikler som neutrinoer, som skabes i atomreaktioner og radioaktive henfald. I modsætning til en normal neutrino, som interagerer med en subatomær kraft, denne nye partikel ville kun blive påvirket af tyngdekraften og kaldes en "steril neutrino."

Endnu en attraktiv mulighed er det mørke stof (en usynlig form for stof, der ikke består af protoner, neutroner, og elektroner) interagerer stærkere med normalt stof eller stråling end tidligere antaget.

Enhver af disse scenarier ville ændre indholdet i det tidlige univers, hvilket fører til inkonsekvenser i teoretiske modeller. Disse inkonsekvenser ville resultere i en forkert værdi for Hubble -konstanten, udledes af observationer af det unge kosmos. Denne værdi ville så være i modstrid med antallet, der stammer fra Hubble -observationerne.

Riess og hans kolleger har endnu ingen svar på dette irriterende problem, men hans team vil fortsat arbejde med at finjustere universets ekspansionshastighed. Indtil nu, Riess 'team, kaldet Supernova H0 for statsligningen (SH0ES), har reduceret usikkerheden til 2,3 procent. Inden Hubble blev lanceret i 1990, estimater af Hubble -konstanten varierede med en faktor to. Et af Hubbles vigtigste mål var at hjælpe astronomer med at reducere værdien af ​​denne usikkerhed til en fejl på kun 10 procent. Siden 2005 har gruppen har været på jagt efter at forfine Hubble -konstantens nøjagtighed til en præcision, der giver mulighed for en bedre forståelse af universets adfærd.

Building a Strong Distance Ladder

The team has been successful in refining the Hubble constant value by streamlining and strengthening the construction of the cosmic distance ladder, which the astronomers use to measure accurate distances to galaxies near to and far from Earth. The researchers have compared those distances with the expansion of space as measured by the stretching of light from receding galaxies. They then have used the apparent outward velocity of galaxies at each distance to calculate the Hubble constant.

But the Hubble constant's value is only as precise as the accuracy of the measurements. Astronomers cannot use a tape measure to gauge the distances between galaxies. I stedet, they have selected special classes of stars and supernovae as cosmic yardsticks or milepost markers to precisely measure galactic distances.

Among the most reliable for shorter distances are Cepheid variables, pulsating stars that brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. Their distances, derfor, can be inferred by comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth.

Astronomer Henrietta Leavitt was the first to recognize the utility of Cepheid variables to gauge distances in 1913. But the first step is to measure the distances to Cepheids independent of their brightness, using a basic tool of geometry called parallax. Parallax is the apparent shift of an object's position due to a change in an observer's point of view. This technique was invented by the ancient Greeks who used it to measure the distance from Earth to the Moon.

The latest Hubble result is based on measurements of the parallax of eight newly analyzed Cepheids in our Milky Way galaxy. These stars are about 10 times farther away than any studied previously, residing between 6, 000 light-years and 12, 000 lysår fra Jorden, making them more challenging to measure. They pulsate at longer intervals, just like the Cepheids observed by Hubble in distant galaxies containing another reliable yardstick, exploding stars called Type Ia supernovae. This type of supernova flares with uniform brightness and is brilliant enough to be seen from relatively farther away. Previous Hubble observations studied 10 faster-blinking Cepheids located 300 light-years to 1, 600 light-years from Earth.

Scanning the Stars

To measure parallax with Hubble, the team had to gauge the apparent tiny wobble of the Cepheids due to Earth's motion around the Sun. These wobbles are the size of just 1/100 of a single pixel on the telescope's camera, which is roughly the apparent size of a grain of sand seen 100 miles away.

Derfor, to ensure the accuracy of the measurements, the astronomers developed a clever method that was not envisioned when Hubble was launched. The researchers invented a scanning technique in which the telescope measured a star's position a thousand times a minute every six months for four years.

The team calibrated the true brightness of the eight slowly pulsating stars and cross-correlated them with their more distant blinking cousins to tighten the inaccuracies in their distance ladder. The researchers then compared the brightness of the Cepheids and supernovae in those galaxies with better confidence, so they could more accurately measure the stars' true brightness, and therefore calculate distances to hundreds of supernovae in far-flung galaxies with more precision.

Another advantage to this study is that the team used the same instrument, Hubble's Wide Field Camera 3, to calibrate the luminosities of both the nearby Cepheids and those in other galaxies, eliminating the systematic errors that are almost unavoidably introduced by comparing those measurements from different telescopes.

"Ordinarily, if every six months you try to measure the change in position of one star relative to another at these distances, you are limited by your ability to figure out exactly where the star is, " Casertano explained. Using the new technique, Hubble slowly slews across a stellar target, and captures the image as a streak of light. "This method allows for repeated opportunities to measure the extremely tiny displacements due to parallax, " Riess added. "You're measuring the separation between two stars, not just in one place on the camera, but over and over thousands of times, reducing the errors in measurement."

The team's goal is to further reduce the uncertainty by using data from Hubble and the European Space Agency's Gaia space observatory, which will measure the positions and distances of stars with unprecedented precision. "This precision is what it will take to diagnose the cause of this discrepancy, " Casertano said.