Hvor hurtigt udvider universet sig? Galakser giver ét svar.

At bestemme, hvor hurtigt universet udvider sig, er nøglen til at forstå vores kosmiske skæbne, men med mere præcise data er der kommet en gåde:Estimater baseret på målinger i vores lokalunivers stemmer ikke overens med ekstrapoleringer fra æraen kort efter Big Bang for 13,8 milliarder år siden.

Et nyt skøn over den lokale ekspansionshastighed - Hubble-konstanten, eller H0 (H-intet) – forstærker denne uoverensstemmelse.

Ved at bruge en relativt ny og potentielt mere præcis teknik til måling af kosmiske afstande, som anvender den gennemsnitlige stjernelysstyrke i gigantiske elliptiske galakser som et trin på afstandsstigen, astronomer beregner en hastighed - 73,3 kilometer i sekundet pr. megaparsek. giv eller tag 2,5 km/sek/Mpc – det ligger midt i tre andre gode estimater, inklusive guldstandardestimatet fra Type Ia supernovaer. Det betyder, at for hver megaparsek—3,3 millioner lysår, eller 3 milliarder billioner kilometer – fra Jorden, universet udvider sig yderligere 73,3 ±2,5 kilometer i sekundet. Gennemsnittet fra de tre andre teknikker er 73,5 ±1,4 km/sek/Mpc.

Forvirrende nok, estimater af den lokale ekspansionshastighed baseret på målte fluktuationer i den kosmiske mikrobølgebaggrund og, selvstændigt, fluktuationer i tætheden af ​​normalt stof i det tidlige univers (baryon akustiske svingninger), give et meget anderledes svar:67,4 ±0,5 km/sek/Mpc.

Astronomer er forståeligt nok bekymrede over dette misforhold, fordi udvidelseshastigheden er en kritisk parameter i forståelsen af ​​universets fysik og evolution og er nøglen til at forstå mørk energi – som accelererer udvidelseshastigheden af ​​universet og dermed får Hubble-konstanten til at ændre sig hurtigere end forventet med stigende afstand fra Jorden. Mørk energi omfatter omkring to tredjedele af massen og energien i universet, men er stadig et mysterium.

For det nye skøn, astronomer målte fluktuationer i overfladens lysstyrke af 63 gigantiske elliptiske galakser for at bestemme afstanden og plottede afstanden mod hastigheden for hver for at opnå H0. Overfladelysstyrkefluktuationsteknikken (SBF) er uafhængig af andre teknikker og har potentiale til at give mere præcise afstandsestimater end andre metoder inden for omkring 100 Mpc fra Jorden, eller 330 millioner lysår. De 63 galakser i prøven er i afstande fra 15 til 99 Mpc, ser tilbage i tiden blot en brøkdel af universets alder.

"Til måling af afstande til galakser ud til 100 megaparsek. det er en fantastisk metode, " sagde kosmolog Chung-Pei Ma, Judy Chandler Webb professor i fysiske videnskaber ved University of California, Berkeley, og professor i astronomi og fysik. "Dette er det første papir, der samler en stor, homogene datasæt, på 63 galakser, med det formål at studere H-naught ved hjælp af SBF-metoden."

Ma leder den MASSIVE undersøgelse af lokale galakser, som leverede data for 43 af galakserne - to tredjedele af dem, der blev ansat i den nye analyse.

Dataene om disse 63 galakser blev samlet og analyseret af John Blakeslee, en astronom med National Science Foundations NOIRLab. Han er førsteforfatter til et papir, der nu er godkendt til udgivelse i The Astrophysical Journal som han var medforfatter sammen med kollega Joseph Jensen fra Utah Valley University i Orem. Blakeslee, som leder det videnskabelige personale, der støtter NSF's optiske og infrarøde observatorier, er en pioner inden for at bruge SBF til at måle afstande til galakser, og Jensen var en af ​​de første til at anvende metoden ved infrarøde bølgelængder. De to arbejdede tæt sammen med Ma om analysen.

"Hele historien om astronomi er, i en vis forstand, bestræbelserne på at forstå universets absolutte skala, som så fortæller os om fysikken, " sagde Blakeslee, vender tilbage til James Cooks rejse til Tahiti i 1769 for at måle en transit af Venus, så forskerne kunne beregne den sande størrelse af solsystemet. "SBF-metoden er mere bredt anvendelig til den generelle befolkning af udviklede galakser i lokaluniverset, og bestemt hvis vi får nok galakser med James Webb Space Telescope, denne metode har potentialet til at give den bedste lokale måling af Hubble-konstanten."

James Webb rumteleskopet, 100 gange stærkere end Hubble-rumteleskopet, er planlagt til lancering i oktober.

Kæmpe elliptiske galakser

Hubble-konstanten har været et stridspunkt i årtier, lige siden Edwin Hubble første gang målte den lokale ekspansionshastighed og kom med et svar syv gange for stort, antyder, at universet faktisk var yngre end dets ældste stjerner. Problemet, dengang og nu, ligger i at fastlægge placeringen af ​​objekter i rummet, der giver få fingerpeg om, hvor langt væk de er.

Astronomer har gennem årene steget op til større afstande, begyndende med at beregne afstanden til objekter tæt nok på, at de ser ud til at bevæge sig lidt, på grund af parallakse, som Jorden kredser om solen. Variable stjerner kaldet Cepheider kommer dig længere, fordi deres lysstyrke er forbundet med deres variabilitetsperiode, og Type Ia supernovaer kommer dig endnu længere, fordi de er ekstremt kraftige eksplosioner, på deres højeste, skinne så stærkt som en hel galakse. For både Cepheider og Type Ia supernovaer, det er muligt at finde ud af den absolutte lysstyrke ud fra den måde, de ændrer sig over tid, og så kan afstanden beregnes ud fra deres tilsyneladende lysstyrke set fra Jorden.

Det bedste nuværende estimat af H0 kommer fra afstande bestemt af Type Ia supernovaeksplosioner i fjerne galakser, Selvom nyere metoder - tidsforsinkelser forårsaget af gravitationslinser af fjerne kvasarer og lysstyrken af ​​vandmasere, der kredser om sorte huller - giver alle omkring det samme tal.

Teknikken, der anvender fluktuationer i overfladens lysstyrke, er en af ​​de nyeste og bygger på det faktum, at gigantiske elliptiske galakser er gamle og har en ensartet population af gamle stjerner - for det meste røde kæmpestjerner - der kan modelleres til at give en gennemsnitlig infrarød lysstyrke hen over deres overflade. Forskerne opnåede højopløselige infrarøde billeder af hver galakse med Wide Field Camera 3 på Hubble-rumteleskopet og bestemte, hvor meget hver pixel i billedet afveg fra "gennemsnittet" - jo jævnere var udsvingene over hele billedet, jo længere galaksen er, når der er foretaget korrektioner for pletter som lyse stjernedannende områder, som forfatterne udelukker fra analysen.

Hverken Blakeslee eller Ma var overraskede over, at ekspansionshastigheden kom tæt på de andre lokale målinger. Men de er lige så forvirrede af den grelle konflikt med estimater fra det tidlige univers - en konflikt, som mange astronomer siger betyder, at vores nuværende kosmologiske teorier er forkerte, eller i det mindste ufuldstændig.

Ekstrapoleringerne fra det tidlige univers er baseret på den enkleste kosmologiske teori - kaldet lambda koldt mørkt stof, eller ΛCDM – som kun bruger nogle få parametre til at beskrive universets udvikling. Skaber det nye skøn en indsats ind i hjertet af ΛCDM?

"Jeg tror, ​​det skubber den indsats lidt mere ind, " sagde Blakeslee. "Men den (ΛCDM) er stadig i live. Nogle mennesker tror, vedrørende alle disse lokale målinger, (at) observatørerne tager fejl. Men det bliver sværere og sværere at fremsætte den påstand – det ville kræve, at der er systematiske fejl i samme retning for flere forskellige metoder:supernovaer, SBF, gravitationslinser, vandmasere. Så, efterhånden som vi får mere uafhængige målinger, den indsats går lidt dybere."

Ma spekulerer på, om de usikkerheder astronomerne tilskriver deres målinger, som afspejler både systematiske fejl og statistiske fejl, er for optimistiske, og at de to intervaller af estimater måske stadig kan forenes.

"Juryen er ude, " sagde hun. "Jeg tror, ​​det virkelig er i fejlbjælkerne. Men forudsat at alles fejlbjælker ikke er undervurderet, spændingen bliver ubehagelig."

Faktisk, en af ​​markens giganter, astronom Wendy Freedman, for nylig offentliggjort en undersøgelse, der fastlægger Hubble-konstanten til 69,8 ±1,9 km/sek./Mpc, vandet ryster endnu mere. Det seneste resultat fra Adam Riess, en astronom, der delte 2011 Nobelprisen i fysik for at opdage mørk energi, rapporterer 73,2 ±1,3 km/sek/Mpc. Riess var en Miller Postdoc Fellow ved UC Berkeley, da han udførte denne forskning, og han delte prisen med UC Berkeley og Berkeley Lab-fysiker Saul Perlmutter.

MASSIVE galakser

Den nye værdi af H0 er et biprodukt af to andre undersøgelser af nærliggende galakser - især, Ma's MASSIVE undersøgelse, som bruger rum- og jordbaserede teleskoper til udtømmende at studere de 100 mest massive galakser inden for omkring 100 Mpc af Jorden. Et hovedmål er at veje de supermassive sorte huller i midten af ​​hver enkelt.

At gøre det, præcise afstande er nødvendige, og SBF-metoden er den bedste til dato, hun sagde. Det MASSIVE undersøgelseshold brugte denne metode sidste år til at bestemme afstanden til en gigantisk elliptisk galakse, NGC 1453, i den sydlige himmel-konstellation Eridanus. Ved at kombinere den afstand, 166 millioner lysår, med omfattende spektroskopiske data fra Gemini- og McDonald-teleskoperne – som gjorde det muligt for Ma's kandidatstuderende Chris Liepold og Matthew Quenneville at måle stjernernes hastigheder nær galaksens centrum – konkluderede de, at NGC 1453 har et centralt sort hul med en masse på næsten 3 milliarder gange solens.

For at bestemme H0, Blakeslee beregnede SBF-afstande til 43 af galakserne i den MASSIVE undersøgelse, baseret på 45 til 90 minutters HST-observationstid for hver galakse. De andre 20 kom fra en anden undersøgelse, der brugte HST til at afbilde store galakser, specifikt dem, hvor Type Ia supernovaer er blevet opdaget.

De fleste af de 63 galakser er mellem 8 og 12 milliarder år gamle, hvilket betyder, at de indeholder en stor bestand af gamle røde stjerner, som er nøglen til SBF-metoden og kan også bruges til at forbedre præcisionen af ​​afstandsberegninger. I avisen, Blakeslee brugte både Cepheid variable stjerner og en teknik, der bruger de klareste røde kæmpestjerner i en galakse - omtalt som spidsen af ​​den røde kæmpe gren, eller TRGB-teknik - at stige op til galakser på store afstande. De gav ensartede resultater. TRGB-teknikken tager højde for, at de klareste røde kæmper i galakser har omtrent samme absolutte lysstyrke.

"Målet er at gøre denne SBF-metode fuldstændig uafhængig af den Cepheid-kalibrerede Type Ia supernova-metode ved at bruge James Webb Space Telescope til at få en rød kæmpe grenkalibrering for SBF'er, " han sagde.

"James Webb-teleskopet har potentialet til virkelig at reducere fejlstængerne for SBF, " tilføjede mor. Men for nu, de to uenige mål for Hubble-konstanten bliver nødt til at lære at leve med hinanden.

"Jeg havde ikke tænkt mig at måle H0; det var et fantastisk produkt af vores undersøgelse, " sagde hun. "Men jeg er en kosmolog og ser det her med stor interesse."