Ny Hubble konstant måling tilføjer mysteriet om universets ekspansionshastighed

Astronomer har lavet en ny måling af, hvor hurtigt universet udvider sig, ved at bruge en helt anden slags stjerne end tidligere bestræbelser. Den reviderede måling, som kommer fra NASAs Hubble-rumteleskop, falder i centrum for et heftigt omdiskuteret spørgsmål i astrofysikken, der kan føre til en ny fortolkning af universets grundlæggende egenskaber.

Forskere har vidst i næsten et århundrede, at universet udvider sig, hvilket betyder, at afstanden mellem galakser på tværs af universet bliver stadig større for hvert sekund. Men præcis hvor hurtigt strækker rummet sig, en værdi kendt som Hubble-konstanten, er forblevet stædigt undvigende.

Nu, University of Chicago professor Wendy Freedman og kolleger har en ny måling for udvidelseshastigheden i det moderne univers, tyder på, at rummet mellem galakser strækker sig hurtigere, end forskerne ville forvente. Freedman's er en af ​​flere nyere undersøgelser, der peger på en nagende uoverensstemmelse mellem moderne ekspansionsmålinger og forudsigelser baseret på universet, som det var for mere end 13 milliarder år siden, som målt af European Space Agencys Planck-satellit.

Efterhånden som mere forskning peger på en uoverensstemmelse mellem forudsigelser og observationer, forskere overvejer, om de muligvis skal komme med en ny model for universets underliggende fysik for at forklare det.

"Hubble-konstanten er den kosmologiske parameter, der sætter den absolutte skala, universets størrelse og alder; det er en af ​​de mest direkte måder, vi har til at kvantificere, hvordan universet udvikler sig, " sagde Freedman. "Den uoverensstemmelse, vi så før, er ikke forsvundet, men dette nye bevis tyder på, at juryen stadig er ude af, om der er en umiddelbar og tvingende grund til at tro, at der er noget grundlæggende fejlbehæftet i vores nuværende model af universet."

I et nyt papir accepteret til udgivelse i The Astrophysical Journal , Freedman og hendes team annoncerede en ny måling af Hubble-konstanten ved hjælp af en slags stjerne kendt som en rød kæmpe. Deres nye observationer, lavet ved hjælp af Hubble, angive, at ekspansionshastigheden for det nærliggende univers er lige under 70 kilometer i sekundet pr. megaparsec (km/sek/Mpc). En parsec svarer til 3,26 lysårs afstand.

Denne måling er lidt mindre end værdien på 74 km/sek/Mpc for nylig rapporteret af Hubble SH0ES-holdet (Supernovae H0 for the Equation of State) ved hjælp af Cepheid-variabler, som er stjerner, der pulserer med jævne mellemrum, der svarer til deres maksimale lysstyrke. Dette hold, ledet af Adam Riess fra Johns Hopkins University og Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, for nylig rapporteret at forfine deres observationer til den højeste præcision til dato for deres Cepheid-afstandsmåleteknik.

Sådan måler du udvidelse

En central udfordring ved måling af universets ekspansionshastighed er, at det er meget vanskeligt nøjagtigt at beregne afstande til fjerne objekter.

I 2001 Freedman ledede et hold, der brugte fjerne stjerner til at lave en skelsættende måling af Hubble-konstanten. Hubble Space Telescope Key Project-teamet målte værdien ved hjælp af Cepheid-variabler som afstandsmarkører. Deres program konkluderede, at værdien af ​​Hubble-konstanten for vores univers var 72 km/sek./Mpc.

Men for nylig, videnskabsmænd tog en meget anderledes tilgang:at bygge en model baseret på den rislende struktur af lys tilbage fra big bang, som kaldes den kosmiske mikrobølgebaggrund. Planck-målingerne gør det muligt for forskere at forudsige, hvordan det tidlige univers sandsynligvis ville have udviklet sig til den ekspansionshastighed, astronomer kan måle i dag. Forskere beregnede en værdi på 67,4 km/sek/Mpc, i væsentlig uenighed med hastigheden på 74,0 km/sek/Mpc målt med Cepheid-stjerner.

Astronomer har ledt efter alt, der kan være årsag til misforholdet. "Naturligt, der opstår spørgsmål om, hvorvidt uoverensstemmelsen kommer fra et eller andet aspekt, som astronomerne endnu ikke forstår om de stjerner, vi måler, eller om vores kosmologiske model af universet stadig er ufuldstændig, " sagde Freedman. "Eller måske skal begge forbedres."

Freedmans team forsøgte at kontrollere deres resultater ved at etablere en ny og helt uafhængig vej til Hubble-konstanten ved hjælp af en helt anden slags stjerne.

Visse stjerner ender deres liv som en meget lysende slags stjerne kaldet en rød kæmpe, et udviklingsstadium, som vores egen sol vil opleve milliarder af år fra nu. På et vist tidspunkt, stjernen gennemgår en katastrofal begivenhed kaldet en helium flash, hvor temperaturen stiger til omkring 100 millioner grader, og stjernens struktur er omarrangeret, hvilket i sidste ende dramatisk reducerer dens lysstyrke. Astronomer kan måle den tilsyneladende lysstyrke af de røde kæmpestjerner på dette stadium i forskellige galakser, og de kan bruge dette som en måde at fortælle deres afstand.

Hubble-konstanten beregnes ved at sammenligne afstandsværdier med målgalaksernes tilsyneladende recessionshastighed - dvs. hvor hurtigt galakser ser ud til at bevæge sig væk. Holdets beregninger giver en Hubble-konstant på 69,8 km/sek./Mpc – grænseoverskridende værdier udledt af Planck- og Riess-holdene.

"Vores første tanke var, at hvis der er et problem, der skal løses mellem cepheiderne og den kosmiske mikrobølgebaggrund, så kan den røde kæmpe metode være tie-breaker, " sagde Freedman.

Men resultaterne ser ikke ud til at foretrække det ene svar frem for det andet, siger forskerne, selv om de er tættere på linje med Planck-resultaterne.

NASA's kommende mission, Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), planlagt til lancering i midten af ​​2020'erne, vil gøre det muligt for astronomer bedre at udforske værdien af ​​Hubble-konstanten på tværs af kosmisk tid. FØRST, med sin Hubble-lignende opløsning og 100 gange større udsyn til himlen, vil give et væld af nye Type Ia supernovaer, Cepheid variabler, og røde kæmpestjerner til fundamentalt at forbedre afstandsmålinger til galakser nær og fjern.

Hubble Space Telescope er et projekt for internationalt samarbejde mellem NASA og ESA (European Space Agency). NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, styrer teleskopet. Space Telescope Science Institute (STScI) i Baltimore, Maryland, udfører Hubble videnskabsoperationer. STScI drives for NASA af Association of Universities for Research in Astronomy i Washington, D.C.