Hur snabbt expanderar universum? Hubble och Gaia samarbetar för att utföra de mest exakta mätningarna hittills
På 1920-talet gjorde Edwin Hubble den banbrytande upptäckten att universum var i ett tillstånd av expansion. Ursprungligen förutspått som en konsekvens av Einsteins allmänna relativitetsteori , kom mätningar av denna expansion att kallas Hubbles konstant . Idag, och med hjälp av nästa generations teleskop – som det passande namnet Rymdteleskopet Hubble (HST) – astronomer har mätt om och reviderat denna lag många gånger.
Dessa mätningar bekräftade att expansionshastigheten har ökat över tiden, även om forskarna fortfarande är osäkra på varför. De senaste mätningarna genomfördes av ett internationellt team med hjälp avHubble,som sedan jämförde sina resultat med data från European Space Agency (ESA) Gaiaobservatorium . Detta har lett till de mest exakta mätningarna av Hubble-konstanten hittills, även om frågor om kosmisk acceleration kvarstår.
Studien som beskriver deras resultat dök upp i 12 juli-numret avAstrophysical Journal,med titeln ' Milky Way Cepheid-standarder för mätning av kosmiska avstånd och tillämpning på Gaia DR2: Implikationer för Hubble-konstanten. Teamet bakom studien inkluderade medlemmar från Space Telescope Science Institute (STScI), Johns Hopkins University, den National Institute for Astrophysics (INAF), UC Berkeley, Texas A&M University och Europeiska sydobservatoriet (DEN DÄR).
Den här illustrationen visar tre steg som astronomer använde för att mäta universums expansionshastighet (Hubbles konstant) med en aldrig tidigare skådad noggrannhet. Medverkande: NASA, ESA, A. Feild (STScI) och A. Riess (STScI/JHU)
Sedan 2005 har Adam Riess – en nobelpristagare professor vid Space Telescope Science Institute och Johns Hopkins University – arbetat med att förfina Hubble Constant-värdet genom att effektivisera och stärka den 'kosmiska distansstegen'. Tillsammans med sitt team, känt som Supernova H0 för statsekvationen (SH0ES), har de framgångsrikt minskat osäkerheten i samband med hastigheten av kosmisk expansion till bara 2,2 %
För att bryta ner det har astronomer traditionellt använt den 'kosmiska avståndstrappan' för att mäta avstånd i universum. Detta består av att förlita sig på avståndsmarkörer som Cepheidvariabler i avlägsna galaxer – pulserande stjärnor vars avstånd kan utläsas genom att jämföra deras inneboende ljusstyrka med deras skenbara ljusstyrka. Dessa mätningar jämförs sedan med hur ljus från avlägsna galaxer rödförskjuts för att avgöra hur snabbt utrymmet mellan galaxerna expanderar.
Från detta härleds Hubble-konstanten. En annan metod som används är att observera Kosmisk mikrovågsugn bakgrund (CMB) för att spåra utvidgningen av kosmos under det tidiga universum – ca. 378 000 år efter Big Bang – och sedan använda fysik för att extrapolera det till den nuvarande expansionshastigheten. Tillsammans bör mätningarna ge ett heltäckande mått på hur universum har expanderat över tiden.
Men astronomer har vetat under en tid att de två mätningarna inte stämmer överens. I en tidigare studie , Riess och hans team genomförde mätningar med hjälp avHubbleför att få ett Hubble Constant-värde på 73 km/s (45,36 mps) per megaparsek (3,3 miljoner ljusår). Samtidigt har resultat baserade på ESA' Planckobservatorium (som observerade CMB mellan 2009 och 2013) förutspådde att Hubbles konstanta värde nu skulle vara 67 km/s (41,63 mps) per megaparsec och inte högre än 69 km/s (42,87 mps) – vilket representerar en avvikelse på 9 %.
En flerfärgad helhimmelbild av mikrovågshimlen. Kredit: ESA, HFI och LFI konsortier
Som Riess indikerade i en nyligen genomförd NASA pressmeddelande :
'Spänningen verkar ha vuxit till en fullständig inkompatibilitet mellan våra åsikter om det tidiga och sena tidsuniversum. Vid denna tidpunkt är det helt klart inte bara ett grovt fel i någon mätning. Det är som om du förutspådde hur långt ett barn skulle bli från ett tillväxtdiagram och sedan upptäckte att vuxen han eller hon blev avsevärt överträffade förutsägelsen. Vi är väldigt förvirrade.'
I det här fallet använde Riess och hans kollegorHubbleför att mäta ljusstyrkan hos avlägsna Cepheidvariabler medanGaiaförutsatt att parallaxinformationen – den uppenbara förändringen i ett objekts position baserat på olika synvinklar – som behövs för att bestämma avståndet.Gaialades också till studien genom att mäta avståndet till 50 Cepheidvariabler i Vintergatan, som kombinerades med ljusstyrkemätningar från Hubble.
Detta gjorde det möjligt för astronomerna att mer exakt kalibrera cepheiderna och sedan använda de som ses utanför Vintergatan som milstolpar. Använder bådeHubblemätningar och nysläppta data frånGaia,Riess och hans kollegor kunde förfina sina mätningar på den nuvarande expansionshastigheten till 73,5 kilometer (45,6 miles) per sekund per megaparsek.
ESA:s Gaia är för närvarande på ett femårigt uppdrag för att kartlägga Vintergatans stjärnor. Bildkredit: ESA/ATG medialab; bakgrund: ESO/S. Brunier.
Som Stefano Casertano, från Space Telescope Science Institute och en medlem av SHOES-teamet, tillade:
'Hubble är verkligen fantastiskt som ett allmänt observatorium, men Gaia är den nya guldstandarden för att kalibrera avstånd. Den är specialbyggd för att mäta parallax - det här är vad den designades för att göra. Gaia kommer med en ny förmåga att omkalibrera alla tidigare avståndsmått, och det verkar bekräfta vårt tidigare arbete. Vi får samma svar för Hubble-konstanten om vi ersätter alla tidigare kalibreringar av distansstegen med bara Gaia-parallaxerna. Det är en korskontroll mellan två mycket kraftfulla och exakta observatorier.'
Inför framtiden hoppas Riess och hans team kunna fortsätta att arbeta medGaiaså att de kan minska osäkerheten förknippad med värdet av Hubble-konstanten till bara 1 % i början av 2020-talet. Under tiden kommer diskrepansen mellan moderna expansionshastigheter och de baserade på CMB att fortsätta att vara ett pussel för astronomer.
I slutändan kan detta vara en indikation på att annan fysik är på gång i vårt universum, att mörk materia interagerar med normal materia på ett sätt som är annorlunda än vad forskare misstänker, eller att mörk energi kan vara ännu mer exotisk än man tidigare trott. Oavsett orsaken är det tydligt att universum fortfarande har några överraskningar i beredskap för oss!
Vidare läsning: NASA