Nye afstandsmålinger styrker udfordringen til den grundlæggende model af universet

Et nyt sæt præcisionsafstandsmålinger lavet med en international samling af radioteleskoper har i høj grad øget sandsynligheden for, at teoretikere har brug for at revidere den "standardmodel", der beskriver universets grundlæggende natur.

De nye afstandsmålinger gjorde det muligt for astronomer at forfine deres beregning af Hubble-konstanten, universets ekspansionshastighed, en værdi, der er vigtig for at teste den teoretiske model, der beskriver universets sammensætning og udvikling. Problemet er, at de nye målinger forværrer en uoverensstemmelse mellem tidligere målte værdier af Hubble-konstanten og den værdi, som modellen forudsiger, når den anvendes på målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund foretaget af Planck-satellitten.

"Vi finder ud af, at galakser er tættere på end forudsagt af standardmodellen for kosmologi, bekræfter et problem, der er identificeret i andre typer afstandsmålinger. Der har været debat om, hvorvidt dette problem ligger i selve modellen eller i de målinger, der blev brugt til at teste den. Vores arbejde bruger en afstandsmålingsteknik fuldstændig uafhængig af alle andre, og vi forstærker forskellen mellem målte og forudsagte værdier. Det er sandsynligt, at den grundlæggende kosmologiske model involveret i forudsigelserne er problemet, " sagde James Braatz, fra National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

Braatz leder Megamaser Cosmology Project, en international indsats for at måle Hubble-konstanten ved at finde galakser med specifikke egenskaber, der egner sig til at give præcise geometriske afstande. Projektet har brugt National Science Foundations Very Long Baseline Array (VLBA), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), og Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT), sammen med Effelsberg-teleskopet i Tyskland. Holdet rapporterede deres seneste resultater i Astrofysiske tidsskriftsbreve .

Edwin Hubble, efter hvem det kredsende Hubble-rumteleskop er opkaldt, beregnede først universets udvidelseshastighed (Hubble-konstanten) i 1929 ved at måle afstandene til galakser og deres recessionshastigheder. Jo fjernere en galakse er, jo større er dens recessionshastighed fra Jorden. I dag, Hubble-konstanten forbliver en grundlæggende egenskab ved observationel kosmologi og et fokus for mange moderne undersøgelser.

Måling af recessionshastigheder for galakser er relativt ligetil. Bestemmelse af kosmiske afstande, imidlertid, har været en vanskelig opgave for astronomer. For objekter i vores egen Mælkevejsgalakse, astronomer kan få afstande ved at måle det tilsyneladende skift i objektets position, når det ses fra modsatte sider af Jordens bane omkring Solen, en effekt kaldet parallakse. Den første sådanne måling af en stjernes parallakseafstand kom i 1838.

Ud over vores egen galakse, parallakser er for små til at måle, så astronomer har stolet på objekter kaldet "standardlys, " sådan navngivet, fordi deres iboende lysstyrke formodes at være kendt. Afstanden til et objekt med kendt lysstyrke kan beregnes ud fra, hvor svagt objektet ser ud fra Jorden. Disse standardlys omfatter en klasse af stjerner kaldet Cepheid-variabler og en specifik type stjerneeksplosion kaldet en Type Ia supernova.

En anden metode til at estimere ekspansionshastigheden involverer at observere fjerne kvasarer, hvis lys bøjes af gravitationseffekten af ​​en forgrundsgalakse til flere billeder. Når kvasaren varierer i lysstyrke, ændringen vises i de forskellige billeder på forskellige tidspunkter. Måling af denne tidsforskel, sammen med beregninger af lysbøjningens geometri, giver et skøn over ekspansionshastigheden.

Bestemmelser af Hubble-konstanten baseret på standardlys og kvasarer med gravitationslinser har produceret tal på 73-74 kilometer pr. sekund (hastigheden) pr. megaparsek. (afstand i enheder, som astronomer foretrækker).

Imidlertid, forudsigelser af Hubble-konstanten fra den kosmologiske standardmodel, når de anvendes på målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) - den resterende stråling fra Big Bang - producerer en værdi på 67,4, en væsentlig og bekymrende forskel. denne forskel, som astronomer siger er hinsides de eksperimentelle fejl i observationerne, har alvorlige konsekvenser for standardmodellen.

Modellen hedder Lambda Cold Dark Matter, eller Lambda CDM, hvor "Lambda" refererer til Einsteins kosmologiske konstant og er en repræsentation af mørk energi. Modellen opdeler universets sammensætning hovedsageligt mellem almindeligt stof, mørkt stof, og mørk energi, og beskriver, hvordan universet har udviklet sig siden Big Bang.

Megamaser Cosmology Project fokuserer på galakser med skiver af vandbærende molekylær gas, der kredser om supermassive sorte huller i galaksernes centre. Hvis den kredsende skive ses næsten på kanten fra Jorden, lyspunkter af radioudsendelse, kaldet masere - radioanaloger til lasere med synligt lys - kan bruges til at bestemme både den fysiske størrelse af disken og dens vinkeludstrækning, og derfor, gennem geometri, dens afstand. Projektets team bruger den verdensomspændende samling af radioteleskoper til at foretage de præcisionsmålinger, der kræves til denne teknik.

I deres seneste arbejde, holdet forfinede deres afstandsmålinger til fire galakser, i afstande fra 168 millioner lysår til 431 millioner lysår. Kombineret med tidligere afstandsmålinger af to andre galakser, deres beregninger producerede en værdi for Hubble-konstanten på 73,9 kilometer i sekundet pr. megaparsek.

"At teste standardmodellen for kosmologi er et virkelig udfordrende problem, der kræver de bedste målinger af Hubble-konstanten nogensinde. Uoverensstemmelsen mellem de forudsagte og målte værdier af Hubble-konstanten peger på et af de mest fundamentale problemer i hele fysikken, så vi vil gerne have flere, uafhængige målinger, der bekræfter problemet og tester modellen. Vores metode er geometrisk, og fuldstændig uafhængig af alle andre, og det forstærker uoverensstemmelsen, " sagde Dom Pesce, en forsker ved Center for Astrofysik | Harvard og Smithsonian, og hovedforfatter på det seneste papir.

"Masermetoden til at måle universets ekspansionshastighed er elegant, og, i modsætning til de andre, baseret på geometri. Ved at måle ekstremt præcise positioner og dynamik af maserpletter i tilvækstskiven, der omgiver et fjernt sort hul, vi kan bestemme afstanden til værtsgalakserne og derefter ekspansionshastigheden. Vores resultat fra denne unikke teknik styrker argumentet for et nøgleproblem i observationel kosmologi." sagde Mark Reid fra Center for Astrophysics | Harvard og Smithsonian, og medlem af Megamaser Cosmology Project-teamet.

"Vores måling af Hubble-konstanten er meget tæt på andre nylige målinger, og statistisk meget forskellig fra forudsigelserne baseret på CMB og den standard kosmologiske model. Alt tyder på, at standardmodellen trænger til revision, " sagde Braatz.

Astronomer har forskellige måder at justere modellen for at løse uoverensstemmelsen. Nogle af disse inkluderer skiftende formodninger om naturen af ​​mørk energi, bevæger sig væk fra Einsteins kosmologiske konstant. Andre ser på fundamentale ændringer i partikelfysik, såsom at ændre antallet eller typerne af neutrinoer eller mulighederne for interaktioner mellem dem. Der er andre muligheder, endnu mere eksotisk, og i øjeblikket har videnskabsmænd ingen klare beviser for at skelne mellem dem.

"Dette er et klassisk tilfælde af samspillet mellem observation og teori. Lambda CDM-modellen har fungeret ganske godt i årevis, men nu peger observationer klart på et problem, der skal løses, og det ser ud til, at problemet ligger i modellen, " sagde Pesce.