Universets ekspansjonshastighet, kjent som Hubble-konstanten, er en av de grunnleggende parametrene for å forstå utviklingen og den endelige skjebnen til kosmos.
Imidlertid observeres en vedvarende forskjell, kalt «Hubble spenning“, mellom verdien av konstanten målt med et bredt spekter av uavhengige avstandsindikatorer og dens verdi spådd fra Big Bangs etterglød.
NASAs James Webb-romteleskop gir nye muligheter for å analysere og avgrense noen av de sterkeste observasjonsbevisene for denne spenningen.
Adam Riessfra Johns Hopkins University og nobelprisvinneren STScI (Space Telescope Science Institute), presenterte hans og kollegenes nylige arbeid der de brukte Webb-observasjoner for å forbedre presisjonen av lokale målinger av Hubble-konstanten.
«Har du noen gang prøvd å se en tegn som var på grensen av synet ditt? Hva sier han? Hva betyr det? Selv med de kraftigste teleskopene er «signalene» som astronomene ønsker å lese så små at vi også har problemer med å se dem.
«Tegnet som kosmologer vil lese er et kosmisk fartsgrenseskilt som forteller oss med hvilken hastighet ekspanderer universet – et tall som kalles Hubble-konstanten. Signalet vårt er skrevet i stjernene i fjerne galakser”, forklarer Riess.
«Lysstyrken til visse stjerner i disse galaksene forteller oss hvor langt unna de er og derfor hvor lenge dette lyset reiste for å nå oss, og rødforskyvningene til galaksene forteller oss hvor mye universet utvidet seg i løpet av den tidenog indikerer dermed ekspansjonstakten, legger han til.
En spesiell klasse stjerner, Cepheid-variablenehar gitt oss de mest nøyaktige avstandsmålingene i mer enn et århundre, fordi disse stjernene er usedvanlig lyse: de er supergigantiske stjerner, med en lysstyrke hundre tusen ganger større enn solens.
Dessuten, de pulserer (det vil si at de utvider seg og trekker seg sammen) over en periode på uker som indikerer deres relative lysstyrke. Jo lengre periode, lysere er i seg selv.
«De er referanseverktøyet for å måle avstandene til galakser hundre millioner lysår unna eller mer, et avgjørende skritt for å bestemme Hubble-konstanten,» forklarer Riess.
«Dessverre, stjernene i galaksene er tett sammen på en liten plass fra vårt fjerne synspunkt, og derfor har vi ofte ikke den nødvendige oppløsningen til å skille dem fra naboene i synsfeltet, legger astronomen til.
«En av hovedbegrunnelsene for å bygge Hubble-romteleskopet var løse dette problemet, sier Riess.
Før lanseringen av Hubble i 1990 og målinger av cepheider, var universets ekspansjonshastighet så usikker at astronomene visste ikke engang om universet ekspanderte for 10 milliarder eller 20 milliarder år siden – fordi en raskere ekspansjonshastighet fører til yngre alder av universet og en langsommere ekspansjonshastighet ved en eldre alder av universet.
Hubble har bedre synlig bølgelengdeoppløsning enn noe bakkebasert teleskop fordi det er det plassert over uskarphet-effektene av jordens atmosfære.
Som et resultat, skan identifisere individuelle Cepheid-variabler i galakser som er mer enn hundre millioner lysår unna og måler tidsintervallet de endrer lysstyrken i løpet av.
«Men vi må også se på Cepheider i den nær-infrarøde delen av spekteret, for å se lyset som passerer gjennom støvet uskadd (støvet absorberer og sprer blått synlig lysfå fjerne objekter til å virke svake og få oss til å tro at de er lenger unna enn de er), forklarer astronomen.
Dessverre er ikke Hubbles syn på rødt lys like skarpt som blått lys, så lyset fra Cepheid-stjerner som vi ser er blandet med andre stjerner i ditt synsfelt.
Vi kan ta hensyn til gjennomsnittlig mengde av denne blandingen, statistisk, på samme måte som en lege beregner vekt ved å trekke fra gjennomsnittsvekten på klær til skalaavlesningen, men dette tilfører støy til målingene. Noen menneskers klær er tyngre enn andre.
«Men skarpt infrarødt syn er en av James Webb-romteleskopets superkrefter. Med sitt store speil og følsomme optikk kan den enkelt skille lyset fra Cepheider fra nabostjerner med liten blanding, sier Riess.
«I Webbs første driftsår, med General Observer-programmet fra 1685, samlet vi observasjoner av Cepheider funnet av Hubble i to omganger langs det som er kjent som stige av kosmiske avstander«, han legger til.
Det første trinnet innebærer å observere Cepheidene i en galakse med en kjent geometrisk avstand som lar oss kalibrere Cepheidenes sanne lysstyrke.
«For vårt program, Denne galaksen er NGC 4258«, bemerker forskeren.
Det andre trinnet er observere Cepheider i vertsgalakser av nyere Type Ia-supernovaer. Ved å kombinere de to første trinnene overføres kunnskap om avstanden til supernovaene for å kalibrere deres sanne lysstyrke.
Det tredje trinnet er observere disse supernovaene på stor avstandhvor utvidelsen av universet er tydelig og kan måles ved å sammenligne avstander utledet fra dets lysstyrke og rødforskyvningene til supernovavertgalakser.
Denne sekvensen av trinn er kjent som avstandsstige.
«Vi har nylig oppnådd våre første Webb-målinger av trinn en og to, slik at vi kan fullføre avstandsstigen og sammenligne med tidligere Hubble-målinger,» sier Riess.
Webbs målinger har drastisk redusert støy i Cepheid-målinger på grunn av observatoriets oppløsning i nær-infrarøde bølgelengder.
«Denne typen forbedring Det er en astronoms drøm! Vi observerte mer enn 320 cepheider i de to første stadiene. Vi bekreftet at tidligere målinger fra Hubble-romteleskopet var nøyaktige, selv om de var mer støyende. Vi observerte også fire flere supernovaverter med Webb og så et lignende resultat for hele prøven», fremhever astronomen.
Hva resultatene fortsatt ikke forklarer Det er derfor universet ser ut til å utvide seg så raskt! Vi kan forutsi hastigheten universet ekspanderer med ved å se på babybildet, den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen, og deretter bruke vår beste modell for hvordan det vokser over tid for å fortelle oss hvor raskt universet bør utvide seg.
Det faktum at nåværende måling av rekspansjonshastigheten overstiger betydelig Forutsigelsen er et tiår gammelt problem kalt «The Hubble Voltage.» Den mest spennende muligheten er det Spenning er en ledetråd om noe vi mangler i vår forståelse av kosmos.
«Du kan angi tilstedeværelse av eksotisk mørk energieksotisk mørk materie, en revisjon av vår forståelse av tyngdekraften, eller tilstedeværelsen av en unik partikkel eller felt», foreslår Adam Riess.
Den mest verdslige forklaringen ville være eksistensen av flere målefeil som konspirerer i samme retning; Astronomer utelukket muligheten for en enkelt feil ved å bruke uavhengige trinn, og det er derfor det er så viktig å ta målinger på nytt med større nøyaktighet.
Med Webb som bekrefter tidligere Hubble-målinger, er det det sterkeste beviset ennå på at systematiske feil i Hubbles Cepheid-fotometri ikke spiller noen vesentlig rolle i gjeldende Hubble-spenning.
«Som et resultat forblir de mest interessante mulighetene på bordet og mysteriet med spenning blir dypere,» avslutter Riess.
