Hubble og Gaia slår sig sammen for at sætte skub i kosmisk gåde

Ved at bruge kraften og synergien fra to rumteleskoper, astronomer har foretaget den mest præcise måling til dato af universets ekspansionshastighed.

Resultaterne giver yderligere næring til misforholdet mellem målinger for udvidelseshastigheden af ​​det nærliggende univers, og de fjerne, urunivers – før stjerner og galakser overhovedet eksisterede.

Denne såkaldte "spænding" indebærer, at der kan være ny fysik, der ligger til grund for universets grundlag. Mulighederne omfatter interaktionsstyrken af ​​mørkt stof, mørk energi er endnu mere eksotisk end tidligere antaget, eller en ukendt ny partikel i rummets gobelin.

Ved at kombinere observationer fra NASAs Hubble-rumteleskop og den europæiske rumorganisations (ESA) Gaia-rumobservatorium, astronomer forfinede den tidligere værdi for Hubble-konstanten yderligere, den hastighed, hvormed universet udvider sig fra big bang for 13,8 milliarder år siden.

Men efterhånden som målingerne er blevet mere præcise, holdets bestemmelse af Hubble-konstanten er blevet mere og mere i modstrid med målingerne fra et andet rumobservatorium, ESA's Planck-mission, som kommer med en anden forudsagt værdi for Hubble-konstanten.

Planck kortlagde uruniverset, som det så ud kun 360, 000 år efter big bang. Hele himlen er præget med signaturen fra big bang indkodet i mikrobølger. Planck målte størrelserne på krusningerne i denne Cosmic Microwave Background (CMB), der blev produceret af små uregelmæssigheder i big bang-ildkuglen. De fine detaljer i disse krusninger koder for, hvor meget mørkt stof og normalt stof der er, universets bane på det tidspunkt, og andre kosmologiske parametre.

Disse målinger, stadig vurderes, tillade videnskabsmænd at forudsige, hvordan det tidlige univers sandsynligvis ville have udviklet sig til den ekspansionshastighed, vi kan måle i dag. Imidlertid, disse forudsigelser synes ikke at matche de nye målinger af vores nærliggende nutidige univers.

"Med tilføjelsen af ​​disse nye Gaia- og Hubble-rumteleskopdata, vi har nu en alvorlig spænding med Cosmic Microwave Background data, " sagde Planck-teammedlem og ledende analytiker George Efstathiou fra Kavli Institute for Cosmology i Cambridge, England, som ikke var involveret i det nye arbejde.

"Spændingen ser ud til at være vokset til en fuldstændig uforenelighed mellem vores syn på det tidlige og sene tidsunivers, " sagde teamleder og nobelpristager Adam Riess fra Space Telescope Science Institute og Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland. "På dette tidspunkt, det er tydeligvis ikke bare 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 2005, Riess og medlemmer af SHOES (Supernova H0 for Equation of State) holdet satte sig for at måle universets ekspansionshastighed med hidtil uset nøjagtighed. I de følgende år ved at forfine deres teknikker, dette hold barberede ratemålingens usikkerhed ned til hidtil usete niveauer. Nu, med kraften fra Hubble og Gaia kombineret, de har reduceret den usikkerhed til blot 2,2 procent.

Fordi Hubble-konstanten er nødvendig for at estimere universets alder, det længe søgte svar er et af de vigtigste tal i kosmologien. Det er opkaldt efter astronomen Edwin Hubble, som for næsten et århundrede siden opdagede, at universet udvidede sig ensartet i alle retninger - et fund, der affødte moderne kosmologi.

Galakser ser ud til at trække sig tilbage fra Jorden proportionalt med deres afstande, hvilket betyder, at jo længere væk de er, jo hurtigere ser de ud til at bevæge sig væk. Dette er en konsekvens af at udvide rummet, og ikke en værdi af sand rumhastighed. Ved at måle værdien af ​​Hubble-konstanten over tid, astronomer kan konstruere et billede af vores kosmiske udvikling, udlede universets sammensætning, og afdække spor om dens ultimative skæbne.

De to vigtigste metoder til at måle dette tal giver uforenelige resultater. En metode er direkte, building a cosmic "distance ladder" from measurements of stars in our local universe. The other method uses the CMB to measure the trajectory of the universe shortly after the big bang and then uses physics to describe the universe and extrapolate to the present expansion rate. Sammen, the measurements should provide an end-to-end test of our basic understanding of the so-called "Standard Model" of the universe. Imidlertid, the pieces don't fit.

Using Hubble and newly released data from Gaia, Riess' team measured the present rate of expansion to be 73.5 kilometers (45.6 miles) per second per megaparsec. This means that for every 3.3 million light-years farther away a galaxy is from us, it appears to be moving 73.5 kilometers per second faster. Imidlertid, the Planck results predict the universe should be expanding today at only 67.0 kilometers (41.6 miles) per second per megaparsec. As the teams' measurements have become more and more precise, the chasm between them has continued to widen, and is now about four times the size of their combined uncertainty.

I årenes løb, Riess' team has refined the Hubble constant value by streamlining and strengthening the "cosmic distance ladder, " used to measure precise distances to nearby and far-off galaxies. They compared those distances with the expansion of space, measured by the stretching of light from nearby galaxies. Using the apparent outward velocity at each distance, they then calculated the Hubble constant.

To gauge the distances between nearby galaxies, his team used a special type of star as cosmic yardsticks or milepost markers. These pulsating stars, called Cepheid variables, brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. By comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth, scientists can calculate their distances.

Gaia further refined this yardstick by geometrically measuring the distance to 50 Cepheid variables in the Milky Way. These measurements were combined with precise measurements of their brightnesses from Hubble. This allowed the astronomers to more accurately calibrate the Cepheids and then use those seen outside the Milky Way as milepost markers.

"When you use Cepheids, you need both distance and brightness, " explained Riess. Hubble provided the information on brightness, and Gaia provided the parallax information needed to accurately determine the distances. Parallax is the apparent change in an object's position due to a shift in the observer's point of view. Ancient Greeks first used this technique to measure the distance from Earth to the Moon.

"Hubble is really amazing as a general-purpose observatory, but Gaia is the new gold standard for calibrating distance. It is purpose-built for measuring parallax—this is what it was designed to do, " Stefano Casertano of the Space Telescope Science Institute and a member of the SHOES team added. "Gaia brings a new ability to recalibrate all past distance measures, and it seems to confirm our previous work. We get the same answer for the Hubble constant if we replace all previous calibrations of the distance ladder with just the Gaia parallaxes. It's a crosscheck between two very powerful and precise observatories."

The goal of Riess' team is to work with Gaia to cross the threshold of refining the Hubble constant to a value of only one percent by the early 2020s. I mellemtiden astrophysicists will likely continue to grapple with revisiting their ideas about the physics of the early universe.

The Riess team's latest results are published in the July 12 issue of the Astrofysisk tidsskrift .