Gravitationslinser kunne holde nøglen til bedre skøn over universets udvidelse

Universet udvider sig, men astrofysikere er ikke sikre på, præcis hvor hurtigt den ekspansion sker - ikke fordi der ikke er svar, men snarere fordi de svar, de kunne give, ikke stemmer overens.

Nu, Simon Birrer, en postdoc ved Stanford University og Kavli Institute for Particle Physics and Astrophysics ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, og et internationalt team af forskere har et nyt svar, der kan en gang forfinet med flere data, hjælpe med at løse debatten.

Det nye svar er resultatet af at gense en årtier gammel metode kaldet tidsforsinkelseskosmografi med nye antagelser og yderligere data for at udlede et nyt estimat af Hubble-konstanten, et mål for universets udvidelse. Birrer og kolleger offentliggjorde deres resultater 20. november i tidsskriftet Astronomi og astrofysik .

"Det er en fortsættelse af en stor og succesfuld årtier lang indsats af et stort team, med en nulstilling af visse nøgleaspekter af vores analyse, " sagde Birrer, og en påmindelse om, at "vi altid bør genoverveje vores antagelser. Vores seneste arbejde er præcis i denne ånd."

Afstand, hastighed og lyd

Kosmologer har vidst i næsten et århundrede, at kosmos udvider sig, og i den tid har de slået sig fast på to hovedmåder at måle den udvidelse på. En metode er den kosmiske afstandsstige, en række trin, der hjælper med at estimere afstanden til fjerntliggende supernovaer. Ved at undersøge lysspektret fra disse supernovaer, videnskabsmænd kan beregne, hvor hurtigt de viger fra os, divider derefter med afstand for at estimere Hubble-konstanten. (Hubbles konstante måles normalt i kilometer pr. sekund pr. megaparsek. afspejler det faktum, at selve rummet vokser, så fjernere genstande trækker sig hurtigere fra os end genstande tættere på.)

Astrofysikere kan også estimere konstanten fra krusninger i den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, eller CMB. Disse krusninger skyldes lydbølger, der rejser gennem plasma i det tidlige univers. Ved at måle bølgernes størrelse kan de udlede, hvor længe siden og hvor langt væk det CMB-lys, vi ser i dag, blev skabt. Med udgangspunkt i veletableret kosmologisk teori, forskere kan så vurdere, hvor hurtigt universet udvider sig.

Begge tilgange, imidlertid, har ulemper. Lydbølgemetoder er stærkt afhængige af, hvordan lyd rejste i det tidlige univers, hvilket igen afhænger af den særlige blanding af stoftyper på det tidspunkt, om, hvor længe lydbølger rejste, før de efterlod deres aftryk på CMB, og på antagelser om universets udvidelse siden dengang. I mellemtiden Kosmiske afstandsstigemetoder kæder en række skøn sammen, startende med radarestimat af afstanden til solen og parallaksevurderinger af afstanden til pulserende stjerner kaldet cepheider. Det introducerer en kæde af kalibreringer og målinger, som hver især skal være præcise og nøjagtige nok til at sikre et pålideligt estimat af Hubble-konstanten.

En linse fra fortiden

Men der er en måde at måle afstande mere direkte på, baseret på det, man kalder stærke gravitationslinser. Tyngdekraften bøjer selve rumtiden og med den tager lysets vej gennem kosmos. Et særligt tilfælde er, når en meget massiv genstand, såsom en galakse, bøjer lyset fra et fjernt objekt rundt, så lyset når os ad flere forskellige veje, effektivt at skabe flere billeder af det samme baggrundsobjekt. Et særligt smukt eksempel er, når det fjerne objekt varierer over tid - f.eks. som tiltagende supermassive sorte huller, kendt som kvasarer, gør. Fordi lyset bevæger sig lidt forskelligt lang tid langs hver vej rundt i linsegalaksen, resultatet er flere billeder, der er lidt ude af synkronisering, med den samme flimren.

Dette fænomen er mere end bare smukt. Tilbage i 1960'erne, studerende af Einsteins teori om tyngdekraft, generel relativitetsteori, viste, at de kunne bruge stærke gravitationslinser og det lys, de bøjer, til mere direkte at måle kosmiske afstande - hvis de kunne måle den relative timing langs hver vej præcist nok, og hvis de vidste, hvordan stof i linsegalaksen var fordelt.

I løbet af det sidste årti, Birrer sagde, målinger blev præcise nok til at tage denne metode, tidsforsinkelseskosmografi, fra idé til virkelighed. Successive målinger og en dedikeret indsats fra H0LiCOW, COSMOGRAIL, STRID, og SHARP-hold, nu under den fælles paraplyorganisation TDCOSMO, kulminerede i en præcis Hubble konstant måling på omkring 73 kilometer i sekundet pr. megaparsec med en præcision på 2%. Det er i overensstemmelse med estimater lavet med den lokale afstandsstigemetode, men i spænding med de kosmiske mikrobølgebaggrundsmålinger under de standard kosmologiske modelantagelser.

Galakse massefordelingsantagelser

Men noget passede ikke rigtigt med Birrer:De modeller af galaksestruktur, tidligere undersøgelser stolede på, var måske ikke nøjagtige nok til at konkludere, at Hubble-konstanten var forskellig fra estimater baseret på den kosmiske mikrobølgebaggrund. "Jeg gik til mine kolleger og sagde:'Jeg ønsker at udføre en undersøgelse, der ikke er afhængig af disse antagelser, " sagde Birrer.

I deres sted, Birrer foreslog at undersøge en række yderligere gravitationslinser for at foretage mere observationsbaserede skøn over linsegalaksernes masse og struktur for at erstatte tidligere antagelser. Den nye avenue Birrer og holdet, TDCOSMO, Virksomheden blev bevidst holdt blind - hvilket betyder, at hele analysen blev udført uden at kende det resulterende resultat på Hubble-konstanten - for at undgå eksperimenters skævhed, en procedure etableret allerede i de tidligere analyser af teamet og en integreret del i at komme videre, sagde Birrer.

Baseret på denne nye analyse med væsentligt færre antagelser anvendt på de syv linsegalakser med tidsforsinkelser, som holdet har analyseret i tidligere undersøgelser, holdet nåede frem til en højere værdi af Hubble-konstanten, omkring 74 kilometer i sekundet pr. megaparsek. men med større usikkerhed – nok til at deres værdi var i overensstemmelse med både høje og lave estimater af Hubble-konstanten.

Imidlertid, da Birrer og TDCOSMO tilføjede 33 ekstra linser med lignende egenskaber - men uden en variabel kilde til at fungere direkte til tidsforsinkelseskosmografi - brugt til at estimere galaktisk struktur, Hubbles konstante skøn gik ned til omkring 67 kilometer i sekundet pr. megaparsek. med 5 % usikkerhed, i god overensstemmelse med lydbølgeestimater som f.eks. fra CMB, men også statistisk i overensstemmelse med de tidligere bestemmelser, usikkerhederne taget i betragtning.

Det væsentlige skift betyder ikke, at debatten om Hubble-konstantens værdi er forbi - langt fra, sagde Birrer. For én ting, hans metode introducerer ny usikkerhed i estimatet forbundet med de 33 ekstra linser, der tilføjes i analysen, og TDCOSMO har brug for flere data for at bekræfte deres resultater, selvom disse data måske ikke er langt ude i fremtiden. Birrer:"Mens vores nye analyse ikke statistisk ugyldiggør masseprofilantagelserne fra vores tidligere arbejde, det viser vigtigheden af ​​at forstå massefordelingen i galakser, " han sagde.

"Vi indsamler nu de data, der vil give os mulighed for at få tilbage det meste af den præcision, vi tidligere havde opnået baseret på stærkere antagelser. Ser vi længere frem vil vi også have billeder fra mange flere linsegalakser fra Rubin Observatory Legacy Survey of Space og Tid til at trække på for at forbedre vores estimater. Vores nuværende analyse er kun det første skridt og baner vejen for at udnytte disse kommende datasæt til at give en sikker konklusion om det resterende problem."