Namnet 'mörk energi' är bara en platshållare för kraften - vad den än är - som får universum att expandera. Men astronomer kommer kanske närmare att förstå denna kraft. Nya observationer av flera variabla Cepheidstjärnor av rymdteleskopet Hubble har förfinat mätningen av universums nuvarande expansionshastighet till en precision där felet är mindre än fem procent. Det nya värdet för expansionshastigheten, känd som Hubble-konstanten, eller H0 (efter Edwin Hubble som först mätte universums expansion för nästan ett sekel sedan), är 74,2 kilometer per sekund per megaparsec (felmarginal på ± 3,6). Resultaten överensstämmer nära med en tidigare mätning från Hubble på 72 ± 8 km/sek/megaparsek, men är nu mer än dubbelt så exakta.
Hubble-mätningen, utförd av SHOES (Supernova H0 for the Equation of State) Team och ledd av Adam Riess, från Space Telescope Science Institute och Johns Hopkins University, använder ett antal förfiningar för att effektivisera och stärka konstruktionen av en kosmisk 'avståndsstege', en miljard ljusår lång, som astronomer använder för att bestämma universums expansionshastighet.
Hubble-observationer av de pulserande Cepheidvariablerna i en närliggande kosmisk milmarkör, galaxen NGC 4258, och i värdgalaxerna för nyare supernovor, kopplar direkt samman dessa avståndsindikatorer. Användningen av Hubble för att överbrygga dessa stegpinnar i stegen eliminerade de systematiska fel som nästan oundvikligt introduceras genom att jämföra mätningar från olika teleskop.
Steg till Hubble-konstanten. Kredit: NASA, ESA och A. Feild (STScI)
Riess förklarar den nya tekniken: 'Det är som att mäta en byggnad med ett långt måttband istället för att flytta en gårdspinne ände över ände. Du undviker att förvärra de små felen du gör varje gång du flyttar måttstocken. Ju högre byggnad, desto större fel.”
Lucas Macri, professor i fysik och astronomi vid Texas A&M, och en betydande bidragsgivare till resultaten, sa: 'Cepheider är ryggraden i avståndsstegen eftersom deras pulsationsperioder, som lätt kan observeras, korrelerar direkt med deras ljusstyrka. En annan förfining av vår stege är det faktum att vi har observerat cepheiderna i de nära-infraröda delarna av det elektromagnetiska spektrumet där dessa variabla stjärnor är bättre avståndsindikatorer än vid optiska våglängder.'
Detta nya, mer exakta värde på Hubble-konstanten användes för att testa och begränsa egenskaperna hos mörk energi, den form av energi som producerar en frånstötande kraft i rymden, vilket får universums expansionshastighet att accelerera.
Genom att inkludera universums expansionshistoria mellan idag och när universum bara var cirka 380 000 år gammalt, kunde astronomerna sätta gränser för naturen hos den mörka energin som får expansionen att påskyndas. (Mätningen för det avlägsna, tidiga universum härrör från fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, som lösts av NASA:s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP, 2003.)
Deras resultat överensstämmer med den enklaste tolkningen av mörk energi: att den är matematiskt likvärdig med Albert Einsteins hypotes kosmologisk konstant , introducerades för ett sekel sedan för att driva på rymdens struktur och förhindra universum från att kollapsa under gravitationens drag. (Einstein tog dock bort konstanten när universums expansion upptäcktes av Edwin Hubble.)
Detalj från NGC 3021. Kredit: NASA, ESA och A. Riess (STScI/JHU)
'Om du lägger i en låda på alla sätt som mörk energi kan skilja sig från den kosmologiska konstanten, skulle den lådan nu vara tre gånger mindre', säger Riess. 'Det är framsteg, men vi har fortfarande en lång väg kvar att gå för att fastställa mörk energis natur.'
Även om den kosmologiska konstanten uppfattades för länge sedan, kom observationsbevis för mörk energi inte fram förrän för 11 år sedan, när två studier, en ledd av Riess och Brian Schmidt från Mount Stromlo Observatory, och den andra av Saul Perlmutter från Lawrence Berkeley National Laboratory, upptäckte mörk energi oberoende, delvis med Hubble-observationer. Sedan dess har astronomer bedrivit observationer för att bättre karakterisera mörk energi.
Riess tillvägagångssätt för att begränsa alternativa förklaringar till mörk energi – oavsett om det är en statisk kosmologisk konstant eller ett dynamiskt fält (som den frånstötande kraften som drev inflationen efter big bang) – är att ytterligare förfina mätningar av universums expansionshistoria.
Innan Hubble lanserades 1990 varierade uppskattningarna av Hubble-konstanten med en faktor två. I slutet av 1990-talet förfinade Hubble Space Telescope Key Project på Extragalactic Distance Scale värdet på Hubble-konstanten till ett fel på endast cirka tio procent. Detta åstadkoms genom att observera Cepheidvariabler vid optiska våglängder till större avstånd än vad som tidigare erhållits och jämföra dem med liknande mätningar från markbaserade teleskop.
SHOES-teamet använde Hubbles Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) och Advanced Camera for Surveys (ACS) för att observera 240 Cepheid variabla stjärnor över sju galaxer. En av dessa galaxer var NGC 4258, vars avstånd bestämdes mycket noggrant genom observationer med radioteleskop. De andra sex galaxerna var nyligen värdar för supernovor av typ Ia som är pålitliga avståndsindikatorer för ännu längre mätningar i universum. Supernovor av typ Ia exploderar alla med nästan samma mängd energi och har därför nästan samma inneboende ljusstyrka.
Genom att observera Cepheider med mycket liknande egenskaper vid nära-infraröda våglängder i alla sju galaxer, och använda samma teleskop och instrument, kunde teamet mer exakt kalibrera supernovornas ljusstyrka. Med Hubbles kraftfulla kapacitet kunde teamet kringgå några av de skakigaste stegen längs den tidigare distansstegen som involverade osäkerheter i Cepheidernas beteende.
Riess skulle så småningom vilja se Hubble-konstanten förfinas till ett värde med ett fel på högst en procent, för att sätta ännu hårdare begränsningar för lösningar på mörk energi.
