Een team van astronomen dat NASA's Hubble-ruimtetelescoop heeft gebruikt, heeft de uitdijingssnelheid van het universum gemeten met behulp van een techniek die volledig onafhankelijk is van eerdere methoden.

Het kennen van de precieze waarde voor hoe snel het heelal uitdijt is belangrijk voor het bepalen van de leeftijd, maat, en het lot van de kosmos. Het ontrafelen van dit mysterie was de afgelopen jaren een van de grootste uitdagingen in de astrofysica. De nieuwe studie voegt bewijs toe aan het idee dat nieuwe theorieën nodig kunnen zijn om uit te leggen wat wetenschappers vinden.

Het resultaat van de onderzoekers versterkt verder een verontrustende discrepantie tussen de expansiesnelheid, de Hubble-constante genoemd, berekend op basis van metingen van het plaatselijk heelal en de snelheid zoals voorspeld op basis van achtergrondstraling in het vroege heelal, een tijd voordat sterrenstelsels en sterren zelfs bestonden.

Deze laatste waarde vertegenwoordigt de meest nauwkeurige meting tot nu toe met behulp van de zwaartekrachtlensmethode, waar de zwaartekracht van een voorgrondstelsel werkt als een gigantische vergrootlens, het versterken en vervormen van licht van achtergrondobjecten. Deze laatste studie was niet gebaseerd op de traditionele "kosmische afstandsladder"-techniek om nauwkeurige afstanden tot sterrenstelsels te meten door verschillende soorten sterren als "mijlpaalmarkeringen" te gebruiken. In plaats daarvan, de onderzoekers gebruikten de exotische fysica van zwaartekrachtlensing om de uitdijingssnelheid van het universum te berekenen.

Het astronomieteam dat de nieuwe Hubble-constante metingen heeft gedaan, wordt H0LiCOW (H0-lenzen in COSMOGRAIL's Wellspring) genoemd. COSMOGRAIL is de afkorting voor Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, een groot internationaal project met als doel het monitoren van zwaartekrachtlenzen. "Wellspring" verwijst naar het overvloedige aanbod van quasar-lenssystemen.

Het onderzoeksteam heeft de H0LiCOW-waarde voor de Hubble-constante afgeleid door observatie- en analysetechnieken die de afgelopen twee decennia sterk zijn verfijnd.

H0LiCOW en andere recente metingen suggereren een snellere expansiesnelheid in het lokale universum dan werd verwacht op basis van waarnemingen door de Planck-satelliet van de European Space Agency van hoe de kosmos zich meer dan 13 miljard jaar geleden gedroeg.

De kloof tussen de twee waarden heeft belangrijke implicaties voor het begrijpen van de onderliggende fysieke parameters van het universum en vereist mogelijk nieuwe fysica om de mismatch te verklaren.

"Als deze resultaten niet overeenkomen, het kan een hint zijn dat we nog niet volledig begrijpen hoe materie en energie zich in de loop van de tijd hebben ontwikkeld, vooral in vroege tijden, " zei H0LiCOW-teamleider Sherry Suyu van het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Duitsland, de Technische Universiteit van München, en het Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics in Taipei, Taiwan.

Hoe ze het deden

Het H0LiCOW-team gebruikte Hubble om het licht van zes verre quasars te observeren, de schitterende zoeklichten van gas dat in een baan rond superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels draait. Quasars zijn om vele redenen ideale achtergrondobjecten; bijvoorbeeld, ze zijn helder, extreem afstandelijk, en verspreid over de hemel. De telescoop observeerde hoe het licht van elke quasar werd vermenigvuldigd tot vier beelden door de zwaartekracht van een enorm voorgrondstelsel. De onderzochte sterrenstelsels bevinden zich op 3 miljard tot 6,5 miljard lichtjaar afstand. De gemiddelde afstand van de quasars is 5,5 miljard lichtjaar van de aarde.

De lichtstralen van elk quasarbeeld met lens volgen een iets andere weg door de ruimte om de aarde te bereiken. De lengte van het pad hangt af van de hoeveelheid materie die de ruimte verstoort langs de zichtlijn naar de quasar. Om elk pad te traceren, de astronomen volgen het flikkeren van het licht van de quasar terwijl het zwarte gat materiaal opslokt. Als het licht flikkert, elk beeld met een lens wordt op een ander tijdstip helderder.

Deze flikkerende reeks stelt onderzoekers in staat om de tijdsvertragingen tussen elk beeld te meten terwijl het gelente licht langs zijn pad naar de aarde reist. Om deze vertragingen volledig te begrijpen, het team gebruikte Hubble voor het eerst om nauwkeurige kaarten te maken van de verdeling van materie in elk lensstelsel. Astronomen konden dan op betrouwbare wijze de afstanden van de melkweg tot de quasar afleiden, en van de aarde naar de melkweg en naar de quasar op de achtergrond. Door deze afstandswaarden te vergelijken, de onderzoekers maten de uitdijingssnelheid van het universum.

"De lengte van elke vertraging geeft aan hoe snel het universum uitdijt, " zei teamlid Kenneth Wong van het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe van de Universiteit van Tokyo, hoofdauteur van het meest recente artikel van de H0LiCOW-samenwerking. "Als de vertragingen korter zijn, dan dijt het heelal sneller uit. Als ze langer zijn, dan is de expansiesnelheid langzamer."

Het tijdvertragingsproces is analoog aan vier treinen die hetzelfde station op exact hetzelfde tijdstip verlaten en met dezelfde snelheid rijden om dezelfde bestemming te bereiken. Echter, elk van de treinen arriveert op een ander tijdstip op de bestemming. Dat komt omdat elke trein een andere route neemt, en de afstand voor elke route is niet hetzelfde. Sommige treinen rijden over heuvels. Anderen gaan door valleien, en weer anderen tuffen rond de bergen. Van de gevarieerde aankomsttijden, men kan hieruit afleiden dat elke trein een andere afstand heeft afgelegd om dezelfde halte te bereiken. evenzo, het quasar-flikkerende patroon verschijnt niet tegelijkertijd omdat een deel van het licht wordt vertraagd door bochten te nemen die worden veroorzaakt door de zwaartekracht van dichte materie in het tussenliggende sterrenstelsel.

Hoe het zich verhoudt?

De onderzoekers berekenden een Hubble constante waarde van 73 kilometer per seconde per megaparsec (met 2,4% onzekerheid). Dit betekent dat voor elke extra 3,3 miljoen lichtjaar afstand een melkwegstelsel van de aarde verwijderd is, het lijkt 73 kilometer per seconde sneller te gaan, vanwege de uitdijing van het heelal.

De meting van het team ligt ook dicht bij de Hubble constante waarde van 74, berekend door het Supernova H0 voor het Equation of State (SH0ES) team, die de techniek van de kosmische afstandsladder gebruikte. De SH0ES-meting is gebaseerd op het meten van de afstanden tot sterrenstelsels dichtbij en ver van de aarde door Cepheïde variabele sterren en supernova's te gebruiken als meetlatten voor de sterrenstelsels.

De SH0ES- en H0LiCOW-waarden verschillen aanzienlijk van het Planck-getal van 67, versterking van de spanning tussen Hubble constante metingen van het moderne heelal en de voorspelde waarde op basis van waarnemingen van het vroege heelal.

"Een van de uitdagingen die we hebben overwonnen, was het hebben van speciale monitoringprogramma's via COSMOGRAIL om de tijdvertragingen voor verschillende van deze quasar-lenssystemen te krijgen, " zei Frédéric Courbin van de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, leider van het COSMOGRAIL-project.

Suyu voegde toe:"Tegelijkertijd nieuwe massamodelleringstechnieken werden ontwikkeld om de materieverdeling van een sterrenstelsel te meten, inclusief modellen die we hebben ontworpen om gebruik te maken van de Hubble-beeldvorming met hoge resolutie. De beelden stelden ons in staat om te reconstrueren, bijvoorbeeld, de gaststerrenstelsels van de quasars. deze afbeeldingen, samen met aanvullende beelden met een groter veld, genomen met telescopen op de grond, stellen ons ook in staat om de omgeving van het lenssysteem te karakteriseren, die de afbuiging van lichtstralen beïnvloedt. De nieuwe massamodelleringstechnieken, in combinatie met de vertragingen, help ons om precieze afstanden tot de sterrenstelsels te meten."

Begonnen in 2012, het H0LiCOW-team heeft nu Hubble-beelden en tijdvertragingsinformatie voor 10 quasars met lens en tussenliggende lensstelsels. Het team zal in samenwerking met onderzoekers van twee nieuwe programma's blijven zoeken naar en de follow-up van nieuwe quasars met een lens. Een programma, genaamd STRIDES (STRong-lensing Insights into Dark Energy Survey), is op zoek naar nieuwe quasar-systemen met lenzen. De seconde, genaamd SHARP (Strong-lensing at High Angular Resolution Program), gebruikt adaptieve optica met de W.M. Keck-telescopen om de lenssystemen in beeld te brengen. Het doel van het team is om nog 30 quasar-systemen met lenzen te observeren om hun onzekerheid van 2,4% procent te verminderen tot 1%.

NASA's aankomende James Webb-ruimtetelescoop, wordt naar verwachting in 2021 gelanceerd, kan hen helpen hun doel van 1% onzekerheid veel sneller te bereiken door het vermogen van Webb om de snelheden van sterren in een lensstelsel in kaart te brengen, waardoor astronomen nauwkeurigere modellen kunnen ontwikkelen van de verdeling van donkere materie in de melkweg.

Het werk van het H0LiCOW-team maakt ook de weg vrij voor het bestuderen van honderden quasars met lens die astronomen ontdekken door middel van onderzoeken zoals de Dark Energy Survey en PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), en de aanstaande National Science Foundation's Large Synoptic Survey Telescope, die naar verwachting duizenden extra bronnen zal onthullen.

In aanvulling, NASA's Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) zal astronomen helpen het meningsverschil in de Hubble-constante waarde aan te pakken door de expansiegeschiedenis van het universum te traceren. De missie zal ook gebruik maken van meerdere technieken, zoals het bemonsteren van duizenden supernova's en andere objecten op verschillende afstanden, om te helpen bepalen of de afwijking het gevolg is van meetfouten, observatie techniek, of dat astronomen de theorie waaraan ze hun voorspellingen ontlenen moeten aanpassen.

Het team zal zijn resultaten presenteren op de 235e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Honolulu, Hawaii.