Forskere forfiner yderligere, hvor hurtigt universet udvider sig

Benytte state-of-the-art teknologier og teknikker, et hold af astrofysikere fra Clemson University har tilføjet en ny tilgang til at kvantificere en af ​​universets mest fundamentale love.

I en avis offentliggjort fredag, 8. nov., i The Astrophysical Journal , Clemson-videnskabsmænd Marco Ajello, Abhishek Desai, Lea Marcotulli og Dieter Hartmann har samarbejdet med seks andre forskere rundt om i verden for at udtænke en ny måling af Hubble-konstanten, den måleenhed, der bruges til at beskrive universets ekspansionshastighed.

"Kosmologi handler om at forstå udviklingen af ​​vores univers - hvordan det udviklede sig i fortiden, hvad den gør nu, og hvad der vil ske i fremtiden, " sagde Ajello, en lektor i College of Sciences afdeling for fysik og astronomi. "Vores viden hviler på en række parametre - inklusive Hubble-konstanten - som vi stræber efter at måle så præcist som muligt. I dette papir, vores team analyserede data opnået fra både kredsende og jordbaserede teleskoper for at komme med en af ​​de nyeste målinger endnu af, hvor hurtigt universet udvider sig."

Konceptet om et ekspanderende univers blev fremført af den amerikanske astronom Edwin Hubble (1889-1953), hvem er navnebror for Hubble-rumteleskopet. I det tidlige 20. århundrede Hubble blev en af ​​de første astronomer til at udlede, at universet var sammensat af flere galakser. Hans efterfølgende forskning førte til hans mest berømte opdagelse:at galakser bevægede sig væk fra hinanden med en hastighed i forhold til deres afstand.

Hubble estimerede oprindeligt udvidelseshastigheden til at være 500 kilometer i sekundet pr. megaparsek. med en megaparsec svarende til omkring 3,26 millioner lysår. Hubble konkluderede, at en galakse to megaparsec væk fra vores galakse var på vej tilbage dobbelt så hurtigt som en galakse kun en megaparsec væk. Dette skøn blev kendt som Hubble-konstanten, som for første gang beviste, at universet udvidede sig. Astronomer har rekalibreret det - med blandede resultater - lige siden.

Ved hjælp af skyrockende teknologier, astronomer kom med målinger, der adskilte sig væsentligt fra Hubbles oprindelige beregninger - hvilket sænkede udvidelseshastigheden til mellem 50 og 100 kilometer i sekundet pr. megaparsek. Og i det seneste årti, ultra-sofistikerede instrumenter, såsom Planck-satellitten, har øget præcisionen af ​​Hubbles originale målinger på relativt dramatisk vis.

I et papir med titlen "En ny måling af Hubble-konstant- og stofindholdet i universet ved hjælp af ekstragalaktisk baggrundslys-gammastråledæmpning, " det samarbejdshold sammenlignede de seneste gammastråledæmpningsdata fra Fermi Gamma-ray Space Telescope og Imaging Atmospheric Cherenkov-teleskoper for at udtænke deres estimater ud fra ekstragalaktiske baggrundslysmodeller. Denne nye strategi førte til en måling på cirka 67,5 kilometer i sekundet pr. megaparsek. .

Gammastråler er den mest energiske form for lys. Ekstragalaktisk baggrundslys (EBL) er en kosmisk tåge, der består af alt det ultraviolette, synligt og infrarødt lys udsendt af stjerner eller fra støv i deres nærhed. Når gammastråler og EBL interagerer, de efterlader et observerbart aftryk - et gradvist tab af flow—som videnskabsmændene var i stand til at analysere, når de formulerede deres hypotese.

"Det astronomiske samfund investerer en meget stor mængde penge og ressourcer i at lave præcisionskosmologi med alle de forskellige parametre, inklusive Hubble-konstanten, sagde Dieter Hartmann, professor i fysik og astronomi. "Vores forståelse af disse fundamentale konstanter har defineret universet, som vi nu kender det. Når vores forståelse af love bliver mere præcis, vores definition af universet bliver også mere præcis, som fører til ny indsigt og opdagelser."

En almindelig analogi af universets udvidelse er en ballon oversået med pletter, hvor hver plet repræsenterer en galakse. Når ballonen er sprængt i luften, pletterne breder sig længere og længere fra hinanden.

"Nogle teoretiserer, at ballonen vil udvide sig til et bestemt tidspunkt og derefter kollapse igen, " sagde Desai, en færdiguddannet forskningsassistent i afdelingen for fysik og astronomi. "Men den mest almindelige tro er, at universet vil fortsætte med at udvide sig, indtil alt er så langt fra hinanden, at der ikke vil være mere observerbart lys. På dette tidspunkt, universet vil lide en kold død. Men det er ikke noget for os at bekymre os om. Hvis dette sker, det vil vare billioner af år fra nu."

Men hvis ballonanalogien er nøjagtig, hvad er det, Nemlig, det er at sprænge ballonen?

"Materie - stjernerne, planeterne, selv os – er kun en lille brøkdel af universets samlede sammensætning, " Ajello forklarede. "Størstedelen af ​​universet består af mørk energi og mørkt stof. Og vi tror, ​​det er mørk energi, der 'sprænger ballonen i luften'. Mørk energi skubber ting væk fra hinanden. Tyngdekraft, som tiltrækker genstande mod hinanden, er den stærkeste kraft på lokalt plan, hvilket er grunden til, at nogle galakser fortsætter med at kollidere. Men på kosmiske afstande, mørk energi er den dominerende kraft."

De andre medvirkende forfattere er hovedforfatter Alberto Dominguez fra Complutense University of Madrid; Radek Wojtak fra Københavns Universitet; Justin Finke fra Naval Research Laboratory i Washington, D.C.; Kari Helgason fra Islands Universitet; Francisco Prada fra Instituto de Astrofisica de Andalucia; og Vaidehi Paliya, en tidligere postdoc-forsker i Ajellos gruppe ved Clemson, som nu er på Deutsches Elektronen-Synchrotron i Zeuthen, Tyskland.

"Det er bemærkelsesværdigt, at vi bruger gammastråler til at studere kosmologi. Vores teknik giver os mulighed for at bruge en uafhængig strategi - en ny metode uafhængig af eksisterende - til at måle universets afgørende egenskaber, " sagde Dominguez, som også er tidligere postdoktor i Ajellos gruppe. "Vores resultater viser den modenhed, som det relativt nye område inden for højenergiastrofysik har nået i det sidste årti. Den analyse, vi har udviklet, baner vejen for bedre målinger i fremtiden ved hjælp af Cherenkov Telescope Array, som stadig er under udvikling og vil være den mest ambitiøse række af jordbaserede højenergiteleskoper nogensinde."

Mange af de samme teknikker, der bruges i det aktuelle papir, korrelerer med tidligere arbejde udført af Ajello og hans kolleger. I et tidligere projekt, som stod i journalen Videnskab , Ajello og hans team var i stand til at måle alt det stjernelys, der nogensinde blev udsendt i universets historie.

"Det, vi ved, er, at gammastrålefotoner fra ekstragalaktiske kilder rejser i universet mod Jorden, hvor de kan absorberes ved at interagere med fotonerne fra stjernelys, "Ajello sagde. "Hastigheden af ​​interaktion afhænger af længden, som de rejser i universet. Og længden, de rejser, afhænger af udvidelsen. Hvis udvidelsen er lav, de rejser en lille afstand. Hvis udvidelsen er stor, de rejser meget langt. Så mængden af ​​absorption, som vi målte, afhang meget stærkt af værdien af ​​Hubble-konstanten. Det, vi gjorde, var at vende dette om og bruge det til at begrænse udvidelseshastigheden af ​​universet."