Tre årtiers observationer af rumteleskoper konvergerer om en præcis værdi for Hubble-konstanten

NASAs Hubble-rumteleskop har gennemført et næsten 30-årigt maraton og har kalibreret mere end 40 "milepost-markører" af rum og tid for at hjælpe videnskabsmænd med præcist at måle universets ekspansionshastighed - en søgen med et plottwist.

Forfølgelsen af ​​universets ekspansionshastighed begyndte i 1920'erne med målinger foretaget af astronomerne Edwin P. Hubble og Georges Lemaître. I 1998 førte dette til opdagelsen af ​​"mørk energi", en mystisk frastødende kraft, der accelererer universets udvidelse. I de senere år har astronomerne, takket være data fra Hubble og andre teleskoper, fundet endnu et twist:en uoverensstemmelse mellem ekspansionshastigheden målt i lokaluniverset sammenlignet med uafhængige observationer lige efter big bang, som forudsiger en anden ekspansionsværdi.

Årsagen til denne uoverensstemmelse forbliver et mysterium. Men Hubble-data, der omfatter en række kosmiske objekter, der fungerer som afstandsmarkører, understøtter ideen om, at der foregår noget mærkeligt, muligvis involverer helt ny fysik.

"Du får det mest præcise mål for udvidelseshastigheden for universet fra guldstandarden for teleskoper og kosmiske milemarkører," sagde nobelpristager Adam Riess fra Space Telescope Science Institute (STScI) og Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland .

Riess leder et videnskabeligt samarbejde, der undersøger universets ekspansionshastighed kaldet SHOES, som står for Supernova, H0, for Equation of State of Dark Energy. "Dette er, hvad Hubble-rumteleskopet blev bygget til at gøre ved at bruge de bedste teknikker, vi kender til at gøre det. Dette er sandsynligvis Hubbles magnum opus, fordi det ville tage yderligere 30 år af Hubbles liv at fordoble denne prøvestørrelse," sagde Riess. .

Riesss teams papir, der skal offentliggøres i Special Focus-udgaven af ​​The Astrophysical Journal rapporter om at fuldføre den største og sandsynligvis sidste større opdatering af Hubble-konstanten. De nye resultater mere end fordobler den tidligere prøve af kosmiske afstandsmarkører. Hans team genanalyserede også alle de tidligere data, og hele datasættet inkluderer nu over 1.000 Hubble-baner.

Da NASA udtænkte et stort rumteleskop i 1970'erne, var en af ​​de primære begrundelser for omkostningerne og den ekstraordinære tekniske indsats at være i stand til at opløse Cepheider, stjerner, der lysner og dæmpes periodisk, set inde i vores Mælkevej og eksterne galakser. Cepheider har længe været guldstandarden for kosmiske milemarkører, siden deres nytte blev opdaget af astronomen Henrietta Swan Leavitt i 1912. For at beregne meget større afstande bruger astronomer eksploderende stjerner kaldet Type Ia supernovaer.

Tilsammen byggede disse objekter en "kosmisk afstandsstige" på tværs af universet og er afgørende for at måle universets ekspansionshastighed, kaldet Hubble-konstanten efter Edwin Hubble. Denne værdi er afgørende for at estimere universets alder og giver en grundlæggende test af vores forståelse af universet.

Startende lige efter Hubbles lancering i 1990 blev det første sæt observationer af Cepheid-stjerner til at forfine Hubble-konstanten udført af to teams:HST Key Project ledet af Wendy Freedman, Robert Kennicutt og Jeremy Mould, Marc Aaronson og et andet af Allan Sandage og samarbejdspartnere, der brugte cepheider som milepælsmarkører til at forfine afstandsmålingen til nærliggende galakser. I begyndelsen af ​​2000'erne erklærede holdene "missionen fuldført" ved at nå en nøjagtighed på 10 procent for Hubble-konstanten, 72 plus eller minus 8 kilometer i sekundet pr. megaparsek.

I 2005 og igen i 2009 lancerede tilføjelsen af ​​kraftige nye kameraer ombord på Hubble-teleskopet "Generation 2" af Hubbles konstante forskning, da hold satte sig for at forfine værdien til en nøjagtighed på kun én procent. Dette blev indviet af SHOES-programmet. Adskillige hold af astronomer, der bruger Hubble, inklusive SHOES, har konvergeret til en Hubble konstant værdi på 73 plus eller minus 1 kilometer pr. sekund pr. megaparsek. Mens andre tilgange er blevet brugt til at undersøge Hubble-konstantspørgsmålet, er forskellige teams kommet med værdier tæt på det samme tal.

SHOES-teamet omfatter mangeårige ledere Dr. Wenlong Yuan fra Johns Hopkins University, Dr. Lucas Macri fra Texas A&M University, Dr. Stefano Casertano fra STScI og Dr. Dan Scolnic fra Duke University. Projektet blev designet til at spænde over universet ved at matche præcisionen af ​​Hubble-konstanten udledt af at studere den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, der er tilbage fra universets daggry.

"The Hubble constant is a very special number. It can be used to thread a needle from the past to the present for an end-to-end test of our understanding of the universe. This took a phenomenal amount of detailed work," said Dr. Licia Verde, a cosmologist at ICREA and the ICC-University of Barcelona, speaking about the SHOES team's work.

The team measured 42 of the supernova milepost markers with Hubble. Because they are seen exploding at a rate of about one per year, Hubble has, for all practical purposes, logged as many supernovae as possible for measuring the universe's expansion. Riess said, "We have a complete sample of all the supernovae accessible to the Hubble telescope seen in the last 40 years." Like the lyrics from the song "Kansas City," from the Broadway musical Oklahoma, Hubble has "gone about as fur as it c'n go!"

Weird Physics?

The expansion rate of the universe was predicted to be slower than what Hubble actually sees. By combining the Standard Cosmological Model of the Universe and measurements by the European Space Agency's Planck mission (which observed the relic cosmic microwave background from 13.8 billion years ago), astronomers predict a lower value for the Hubble constant:67.5 plus or minus 0.5 kilometers per second per megaparsec, compared to the SHOES team's estimate of 73.

Given the large Hubble sample size, there is only a one-in-a-million chance astronomers are wrong due to an unlucky draw, said Riess, a common threshold for taking a problem seriously in physics. This finding is untangling what was becoming a nice and tidy picture of the universe's dynamical evolution. Astronomers are at a loss for an explanation of the disconnect between the expansion rate of the local universe versus the primeval universe, but the answer might involve additional physics of the universe.

Such confounding findings have made life more exciting for cosmologists like Riess. Thirty years ago they started out to measure the Hubble constant to benchmark the universe, but now it has become something even more interesting. "Actually, I don't care what the expansion value is specifically, but I like to use it to learn about the universe," Riess added.

NASA's new Webb Space Telescope will extend on Hubble's work by showing these cosmic milepost markers at greater distances or sharper resolution than what Hubble can see. + Udforsk yderligere

Researchers question measurement of the Hubble constant by Nobel laureate Riess' team