Forfining af intergalaktiske målinger kan ændre hele vores forståelse af fysik

Nye forsøg på at finde ud af, hvor hurtigt universet har udvidet sig siden Big Bang, en hastighed kendt som Hubble-konstanten, kunne ophæve nuværende teorier om fysik, ifølge nogle videnskabsmænd.

Professor Grzegorz Pietrzyński ved Nicolaus Copernicus Astronomical Center ved det polske videnskabsakademi i Warszawa er en videnskabsmand, der forsøger at udlede Hubble-konstanten ved at forbedre beregningen af ​​næsten umuligt lange afstande.

Tanken er, at ved at måle, hvor langt væk objekter er på forskellige tidspunkter, videnskabsmænd kan regne ud, hvor hurtigt de bevæger sig væk fra os, og derfor universets ekspansionshastighed. Forsøger at måle så store afstande nøjagtigt, imidlertid, er ingen nem opgave.

Prof. Pietrzyńskis målinger falder inden for rækkevidden af ​​kiloparsecs, svarende til cirka 3, 262 lysår eller 30 quadrillion kilometer. Og det er kun det første skridt.

"Mit mål er at måle geometriske afstande til nærliggende galakser for at kalibrere cepheider, " sagde prof. Pietrzyński, med henvisning til hans projekt CepBin.

Cepheider er en type variabel stjerne, der pulserer i lysstyrke, eller lysstyrke, over en sammenhængende periode. Forskere bruger dem til at estimere afstande fra Jorden i intervallet 100 megaparsec (en milliard billioner kilometer).

Det er stadig kun en brøkdel af det observerbare univers, som kunne være omkring 28, 000 megaparsec i diameter ifølge bogen Ekstra dimensioner i rum og tid .

"Gennem cepheider kan vi kalibrere (afstanden til) supernovaer (stjerneeksplosion). Gennem supernovaer kan vi nå meget fjerne steder i universet og ud fra supernovaerne kan vi beregne Hubble-konstanten, " han sagde.

Små fejl

Problemet er, at med så mange links, små fejl kan gøre en stor forskel i slutberegningen. Forskellige rumfartøjer og teknikker har målt forskellige Hubble konstantværdier.

"Ved at bruge den klassiske metode (med cepheider og supernovaer) har vi en væsentlig højere Hubble-konstant sammenlignet med målingen fra Planck-missionen, " sagde prof. Pietrzyński, med henvisning til rumobservatoriet, der løb fra 2009 til 2013 og målte hastigheden fra kosmisk baggrundsstråling.

Dette betyder noget, fordi det kan betyde, at de nuværende teorier om fysik er forkerte.

"Hvis dette er sandt, det betyder, at vi bliver nødt til at ændre al fysik, " han sagde.

For at mindske usikkerheden, Prof. Pietrzyński arbejder på at forfine afstandsmålingen til den nærliggende galakse kendt som Den Store Magellanske Sky ved at se på binære stjerner, der formørker hinanden. Resultaterne er lovende. Ved hjælp af en bølgemåling kendt som interferometri, forskere kan kalibrere stjernernes vinkeldiameter, som afslører afstand, når de kobles med lineære diametre.

Ultimativt, mere nøjagtige målinger ville etablere den korrekte værdi af Hubble-konstanten – eller afsløre, om den har svinget over tid.

"Vi kan kontrollere, hvordan udvidelsen af ​​universet udviklede sig. Vi ved, at mindst to gange udvidelsen accelererede, " sagde Prof. Pietrzyński. Han henviste til Big Bang såvel som den nobelprisvindende opdagelse af, at universet i øjeblikket er i en fase med accelereret ekspansion, som er teoretiseret at være forårsaget af en mystisk kraft kaldet mørk energi.

Supernovaer

Cepheider alene er ikke nok til at skelne de enorme afstande, der er nødvendige for at fungere som en målestok for universet. For det, kosmologer bruger en klasse af eksploderende stjerne kaldet Type Ia supernovaer.

Da der ikke er supernovaer i vores galakse, forskere bruger relativt nærliggende cepheider som det første ben til at estimere afstanden til det lille antal observerede supernovaer.

"Cepheider er noget i retning af 10, 000 gange svagere end supernovaerne, så den bro af afstand du har fra cepheider og supernovaer er meget lille, " sagde Dr. Mickael Rigault fra det franske nationale center for videnskabelig forskning.

Dr. Rigault arbejder på at forbedre nøjagtigheden af ​​supernovamålinger.

"Problemet er, at Type Ia supernovaerne ikke altid er helt ens. De kan være iboende forskellige, og vi kender ikke helt mekanismen for, hvordan de eksploderer, " han sagde.

Et spørgsmål, for eksempel, er, at deres lys kunne krydse rummet og blive absorberet på forskellige måder.

"Vi skal sørge for at finde en måde at sikre, at lysstyrken af ​​de supernovaer, vi bruger, altid er den samme, " han sagde.

For at løse dette, han og hans team af USNAC-projektforskere har brugt NASA/ESA Hubble Space Telescope til at undersøge supernovaværtsgalakser med ultraviolette billeder. Ved at gøre dette, de kan måle mængden af ​​støv, der er tilbage i supernovaens sigtelinje og måle, hvordan sådant støv kan ændre dens tilsyneladende lysstyrke.

Mere nøjagtige målinger af supernovaer, oven i mere nøjagtige Cepheid-målinger, kunne også afsløre mere om universets historie, herunder rollen som mørk energi.

Dette skyldes, at lys, der kommer fra fjerne supernovaer, tager så lang tid at rejse til Jorden, at når det når her, er vi faktisk vidne til begivenheder, der fandt sted for milliarder af år siden.

"Supernovaerne, fordi de er så lyse…kan gå meget dybere (og nå meget længere tilbage i afstand og tid) … omkring halvdelen af ​​universets alder, " sagde Dr. Rigault.

Imidlertid, selv når der er taget højde for støvet, der er stadig nogle usikkerheder. For eksempel, Dr. Rigault siger, det er svært at vide, om egenskaberne ved den stjerne, der eksploderer i en supernova, påvirker, hvor lys den ser ud. Sammensætningen kan også ændre sig over tid. "Hvis der ikke tages højde for dette, vil det påvirke, hvordan vi måler mørk energi, " han sagde.

Beregninger af mørk energi kan påvirke estimater af den kosmologiske konstant, et tal foreslået af Einstein til at måle mængden af ​​energi til stede i selve rummet.

"Vi ved, at det ikke er dramatisk forkert, men vi nåede det øjeblik, hvor små detaljer betyder noget. En stor indsats for et lille antal, men dette tal ændrer hele den måde, vi ser universet på, " sagde Dr. Rigault.

Quasar linser

En anden måde at udfordre Cepheid og supernova afstandsberegninger på er at kontrollere dem mod alternative metoder. Det siger professor Frédéric Courbin fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz og Dr. Dominique Sluse ved universitetet i Liège, Belgien, laver med deres projekt COSMICLENS.

De bruger lys fra kvasarer, som er blevet gravitationsmæssigt forvrænget af galakserne, der ligger mellem kvasarerne og Jorden. Kvasarer er ekstremt fjerne og aktive galakser, der er tusindvis af gange lysere end vores Mælkevej.

Lysstrålerne tager forskellige veje rundt om objekterne, hvilket resulterer i, at de ankommer til Jorden på forskellige tidspunkter.

"Tidsforskellen, eller tidsforsinkelse, er direkte forbundet med Hubble-konstanten, " sagde Prof. Courbin.

Hans hold bruger jævnligt teleskoper såsom European Extremely Large Telescope i Chile eller Hubble Space Telescope til at observere kvasarerne over måneder. De gør de målte tidsforsinkelser til kosmologiske parametre.

"Vores metode viser en værdi, der stemmer overens med supernovaestimaterne, " sagde prof. Courbin, tilføjer, at ligesom prof. Pietrzyńskis resultater, den er uenig med værdien fundet af Planck-satellitten. "Målet er at sætte det hele på et solidt grundlag."

Denne uoverensstemmelse, han sagde, 'betyder, at vi ikke fuldt ud forstår det kosmologiske puslespil, eller at astrofysikere stadig har ukendte kilder til fejl i målingerne af Hubble-konstanten."