Mysteriet om universets ekspansionshastighed udvides med nye Hubble-data

Astronomer, der bruger NASAs Hubble-rumteleskop, siger, at de har krydset en vigtig tærskel for at afsløre en uoverensstemmelse mellem de to nøgleteknikker til måling af universets ekspansionshastighed. Den nylige undersøgelse styrker sagen om, at nye teorier kan være nødvendige for at forklare de kræfter, der har formet kosmos.

En kort opsummering:Universet bliver større for hvert sekund. Rummet mellem galakserne strækker sig, som dej hæver i ovnen. Men hvor hurtigt udvider universet sig? Da Hubble og andre teleskoper søger at besvare dette spørgsmål, de er stødt ind i en spændende forskel mellem, hvad videnskabsmænd forudsiger, og hvad de observerer.

Hubble-målinger tyder på en hurtigere ekspansionshastighed i det moderne univers end forventet, baseret på hvordan universet opstod for mere end 13 milliarder år siden. Disse målinger af det tidlige univers kommer fra Den Europæiske Rumorganisations Planck-satellit. Denne uoverensstemmelse er blevet identificeret i videnskabelige artikler i løbet af de sidste mange år, men det har været uklart, om forskelle i måleteknikker er skylden, eller om forskellen kan skyldes uheldige målinger.

De seneste Hubble-data reducerer muligheden for, at uoverensstemmelsen kun er et lykketræf til 1 ud af 100, 000. Dette er en betydelig gevinst fra et tidligere skøn, for mindre end et år siden, med en chance på 1 ud af 3, 000.

Disse mest præcise Hubble-målinger til dato styrker ideen om, at ny fysik kan være nødvendig for at forklare misforholdet.

"Hubble-spændingen mellem det tidlige og sene univers kan være den mest spændende udvikling inden for kosmologi i årtier, " sagde ledende forsker og nobelpristager Adam Riess fra Space Telescope Science Institute (STScI) og Johns Hopkins University, i Baltimore, Maryland. "Denne uoverensstemmelse er vokset og har nu nået et punkt, der virkelig er umuligt at afvise som et lykketræf. Denne ulighed kunne ikke sandsynligt opstå ved et tilfælde."

Stramning af boltene på den 'kosmiske afstandsstige'

Forskere bruger en "kosmisk afstandsstige" til at bestemme, hvor langt væk ting er i universet. Denne metode afhænger af at foretage nøjagtige målinger af afstande til nærliggende galakser og derefter flytte til galakser længere og længere væk, bruger deres stjerner som milepælsmarkører. Astronomer bruger disse værdier, sammen med andre målinger af galaksernes lys, der rødmer, når det passerer gennem et strækkende univers, at beregne, hvor hurtigt kosmos udvider sig med tiden, en værdi kendt som Hubble-konstanten. Riess og hans SH0ES-hold (Supernovae H0 for the Equation of State) har siden 2005 været på en mission for at forfine disse afstandsmålinger med Hubble og finjustere Hubble-konstanten.

I denne nye undersøgelse, astronomer brugte Hubble til at observere 70 pulserende stjerner kaldet Cepheid-variabler i den store magellanske sky. Observationerne hjalp astronomerne med at "genopbygge" afstandsstigen ved at forbedre sammenligningen mellem disse cepheider og deres fjernere fætre i supernovaernes galaktiske værter. Riesss team reducerede usikkerheden i deres Hubble konstante værdi til 1,9 % fra et tidligere estimat på 2,2 %.

Efterhånden som holdets målinger er blevet mere præcise, deres beregning af Hubble-konstanten er forblevet i modstrid med den forventede værdi afledt af observationer af det tidlige univers' ekspansion. Disse målinger blev foretaget af Planck, som kortlægger den kosmiske mikrobølgebaggrund, en relikvie efterglød fra 380, 000 år efter big bang.

Målingerne er blevet grundigt undersøgt, så astronomer kan i øjeblikket ikke afvise kløften mellem de to resultater som følge af en fejl i en enkelt måling eller metode. Begge værdier er blevet testet på flere måder.

"Dette er ikke kun to eksperimenter, der er uenige, ", forklarede Riess. "Vi måler noget fundamentalt anderledes. Den ene er en måling af, hvor hurtigt universet udvider sig i dag, som vi ser det. Den anden er en forudsigelse baseret på fysikken i det tidlige univers og på målinger af, hvor hurtigt det burde udvide sig. Hvis disse værdier ikke stemmer overens, der bliver en meget stor sandsynlighed for, at vi mangler noget i den kosmologiske model, der forbinder de to epoker."

Hvordan den nye undersøgelse blev lavet

Astronomer har brugt Cepheid-variabler som kosmiske målestokke til at måle nærliggende intergalaktiske afstande i mere end et århundrede. Men at prøve at høste en flok af disse stjerner var så tidskrævende, at det næsten var uopnåeligt. Så, holdet brugte en smart ny metode, kaldet DASH (Drift And Shift), ved at bruge Hubble som et "peg-og-skyd"-kamera til at tage hurtige billeder af de ekstremt klare pulserende stjerner, hvilket eliminerer det tidskrævende behov for præcis pegning.

"Når Hubble bruger præcis pegning ved at låse fast på ledestjerner, den kan kun observere én Cepheid for hver 90-minutters Hubble-bane rundt om Jorden. Så, det ville være meget dyrt for teleskopet at observere hver Cepheid, " forklarede teammedlem Stefano Casertano, også af STScI og Johns Hopkins. "I stedet, vi søgte efter grupper af cepheider tæt nok på hinanden til, at vi kunne bevæge os mellem dem uden at omkalibrere teleskopets pegende. Disse Cepheider er så lyse, vi behøver kun at observere dem i to sekunder. Denne teknik giver os mulighed for at observere et dusin cepheider i løbet af en bane. Så, vi forbliver på gyroskopkontrol og fortsætter med at 'DASH' rundt meget hurtigt."

Hubble-astronomerne kombinerede derefter deres resultat med et andet sæt observationer, lavet af Araucaria-projektet, et samarbejde mellem astronomer fra institutioner i Chile, USA., og Europa. Denne gruppe foretog afstandsmålinger til den store magellanske sky ved at observere dæmpningen af ​​lys, når en stjerne passerer foran sin partner i formørkelse af binære stjernesystemer.

De kombinerede målinger hjalp SH0ES-teamet med at forfine cepheidernes sande lysstyrke. Med dette mere nøjagtige resultat, holdet kunne så "spænde boltene" på resten af ​​afstandstigen, der strækker sig dybere ud i rummet.

Det nye estimat af Hubble-konstanten er 74 kilometer (46 miles) per sekund per megaparsek. Det betyder, at for hver 3,3 millioner lysår længere væk er en galakse fra os, det ser ud til at bevæge sig 74 kilometer (46 miles) i sekundet hurtigere, som følge af universets udvidelse. Tallet indikerer, at universet udvider sig med en 9% hurtigere hastighed end forudsigelsen på 67 kilometer (41,6 miles) i sekundet pr. megaparsek. som kommer fra Plancks observationer af det tidlige univers, kombineret med vores nuværende forståelse af universet.

Så, hvad kan forklare denne uoverensstemmelse?

En forklaring på misforholdet involverer en uventet fremkomst af mørk energi i det unge univers, som menes nu at omfatte 70% af universets indhold. Foreslået af astronomer ved Johns Hopkins, teorien kaldes "tidlig mørk energi, " og antyder, at universet udviklede sig som et skuespil i tre akter.

Astronomer har allerede antaget, at mørk energi eksisterede i løbet af de første sekunder efter big bang og skubbede stof ud i rummet, starter den indledende udvidelse. Mørk energi kan også være årsagen til universets accelererede ekspansion i dag. Den nye teori antyder, at der var en tredje episode med mørk energi ikke længe efter big bang, som udvidede universet hurtigere end astronomer havde forudsagt. Eksistensen af ​​denne "tidlige mørke energi" kunne forklare spændingen mellem de to Hubble konstantværdier, sagde Riess.

En anden idé er, at universet indeholder en ny subatomær partikel, der rejser tæt på lysets hastighed. Sådanne hurtige partikler kaldes samlet "mørk stråling" og inkluderer tidligere kendte partikler som neutrinoer, som skabes i kernereaktioner og radioaktive henfald.

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

Men den sande forklaring er stadig et mysterium.

Riess har ikke et svar på dette irriterende problem, men hans team vil fortsætte med at bruge Hubble til at reducere usikkerheden i Hubble-konstanten. Deres mål er at mindske usikkerheden til 1 %, som skulle hjælpe astronomer med at identificere årsagen til uoverensstemmelsen.

Holdets resultater er blevet accepteret til offentliggørelse i The Astrofysisk tidsskrift .