science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Nieuwe afstandsmetingen versterken de uitdaging voor het basismodel van het universum

Krediet:Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Een nieuwe reeks nauwkeurige afstandsmetingen, uitgevoerd met een internationale verzameling radiotelescopen, heeft de kans aanzienlijk vergroot dat theoretici het 'standaardmodel' dat de fundamentele aard van het heelal beschrijft, moeten herzien.

Dankzij de nieuwe afstandsmetingen konden astronomen hun berekening van de Hubble-constante verfijnen, de uitdijingssnelheid van het heelal, een waarde die belangrijk is voor het testen van het theoretische model dat de samenstelling en evolutie van het heelal beschrijft. Het probleem is dat de nieuwe metingen een discrepantie verergeren tussen eerder gemeten waarden van de Hubble-constante en de waarde voorspeld door het model wanneer toegepast op metingen van de kosmische microgolfachtergrond gemaakt door de Planck-satelliet.

"We ontdekken dat sterrenstelsels dichterbij zijn dan voorspeld door het standaardmodel van de kosmologie, het bevestigen van een probleem dat is vastgesteld bij andere soorten afstandsmetingen. Er is discussie geweest over de vraag of dit probleem in het model zelf ligt of in de metingen die zijn gebruikt om het te testen. Ons werk maakt gebruik van een afstandsmeettechniek die volledig onafhankelijk is van alle andere, en we versterken het verschil tussen gemeten en voorspelde waarden. Het is waarschijnlijk dat het fundamentele kosmologische model dat betrokken is bij de voorspellingen het probleem is, " zei James Braatz, van het National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

Braatz leidt het Megamaser Kosmologie Project, een internationale poging om de Hubble-constante te meten door sterrenstelsels te vinden met specifieke eigenschappen die zich lenen om precieze geometrische afstanden op te leveren. Het project heeft gebruik gemaakt van de Very Long Baseline Array (VLBA) van de National Science Foundation, Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), en Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT), samen met de Effelsberg-telescoop in Duitsland. Het team rapporteerde hun laatste resultaten in de Astrofysische journaalbrieven .

Edwin Hubble, naar wie de in een baan om de aarde draaiende Hubble-ruimtetelescoop is vernoemd, berekende voor het eerst de uitdijingssnelheid van het heelal (de Hubble-constante) in 1929 door de afstanden tot sterrenstelsels en hun recessiesnelheden te meten. Hoe verder een sterrenstelsel is, hoe groter de recessiesnelheid van de aarde. Vandaag, de Hubble-constante blijft een fundamentele eigenschap van de observationele kosmologie en een focus van veel moderne studies.

Het meten van recessiesnelheden van sterrenstelsels is relatief eenvoudig. Kosmische afstanden bepalen, echter, was een moeilijke taak voor astronomen. Voor objecten in ons eigen Melkwegstelsel, astronomen kunnen afstanden bepalen door de schijnbare verschuiving in de positie van het object te meten, gezien vanaf weerszijden van de baan van de aarde rond de zon, een effect genaamd parallax. De eerste dergelijke meting van de parallaxafstand van een ster vond plaats in 1838.

Voorbij onze eigen Melkweg, parallaxen zijn te klein om te meten, dus hebben astronomen vertrouwd op objecten die 'standaardkaarsen' worden genoemd, " zo genoemd omdat wordt aangenomen dat hun intrinsieke helderheid bekend is. De afstand tot een object met bekende helderheid kan worden berekend op basis van hoe zwak het object vanaf de aarde lijkt. Deze standaardkaarsen bevatten een klasse sterren die Cepheïdenvariabelen worden genoemd en een specifiek type stellaire explosie genaamd een Type Ia supernova.

Een andere methode om de uitdijingssnelheid te schatten, omvat het observeren van verre quasars waarvan het licht door het zwaartekrachteffect van een voorgrondstelsel in meerdere afbeeldingen wordt gebogen. Wanneer de quasar in helderheid varieert, de verandering verschijnt op verschillende tijdstippen in de verschillende afbeeldingen. Het meten van dit tijdsverschil, samen met berekeningen van de geometrie van de lichtbuiging, geeft een schatting van het expansietempo.

Bepalingen van de Hubble-constante op basis van de standaardkaarsen en de quasars met een zwaartekrachtlens hebben cijfers van 73-74 kilometer per seconde (de snelheid) per megaparsec (afstand in eenheden waar astronomen de voorkeur aan geven) opgeleverd.

Echter, voorspellingen van de Hubble-constante van het standaard kosmologische model wanneer toegepast op metingen van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) - de overgebleven straling van de oerknal - produceren een waarde van 67,4, een belangrijk en verontrustend verschil. Dit verschil, waarvan astronomen zeggen dat het verder gaat dan de experimentele fouten in de waarnemingen, heeft ernstige gevolgen voor het standaardmodel.

Het model heet Lambda Cold Dark Matter, of Lambda CDM, waarbij "Lambda" verwijst naar de kosmologische constante van Einstein en een weergave is van donkere energie. Het model verdeelt de samenstelling van het heelal voornamelijk tussen gewone materie, donkere materie, en donkere energie, en beschrijft hoe het heelal is geëvolueerd sinds de oerknal.

Het Megamaser Cosmology Project richt zich op sterrenstelsels met schijven van waterhoudend moleculair gas in een baan rond superzware zwarte gaten in de centra van de sterrenstelsels. Als de rond de aarde draaiende schijf bijna opzij vanaf de aarde wordt gezien, lichtpuntjes van radiostraling, masers genoemd - radio-analogen voor lasers met zichtbaar licht - kunnen worden gebruikt om zowel de fysieke grootte van de schijf als de hoek ervan te bepalen, en daarom, door geometrie, zijn afstand. Het team van het project maakt gebruik van de wereldwijde verzameling radiotelescopen om de precisiemetingen te doen die nodig zijn voor deze techniek.

In hun laatste werk, het team verfijnde hun afstandsmetingen tot vier sterrenstelsels, op afstanden variërend van 168 miljoen lichtjaar tot 431 miljoen lichtjaar. Gecombineerd met eerdere afstandsmetingen van twee andere sterrenstelsels, hun berekeningen leverden een waarde voor de Hubble-constante op van 73,9 kilometer per seconde per megaparsec.

"Het testen van het standaardmodel van de kosmologie is een echt uitdagend probleem waarvoor de beste metingen van de Hubble-constante ooit nodig zijn. De discrepantie tussen de voorspelde en gemeten waarden van de Hubble-constante wijst op een van de meest fundamentele problemen in de hele natuurkunde, dus we zouden er graag meerdere willen hebben, onafhankelijke metingen die het probleem bevestigen en het model testen. Onze methode is geometrisch, en volledig onafhankelijk van alle anderen, en het versterkt de discrepantie, " zei Dom Pesce, een onderzoeker bij het Centrum voor Astrofysica | Harvard en Smithsonian, en hoofdauteur van het laatste artikel.

"De maser-methode om de uitdijingssnelheid van het heelal te meten is elegant, en, in tegenstelling tot de anderen, gebaseerd op geometrie. Door uiterst nauwkeurige posities en dynamiek van maservlekken in de accretieschijf rond een ver zwart gat te meten, we kunnen de afstand tot de gaststerrenstelsels bepalen en vervolgens de expansiesnelheid. Ons resultaat van deze unieke techniek versterkt de argumenten voor een belangrijk probleem in de observationele kosmologie", zegt Mark Reid van het Center for Astrophysics | Harvard en Smithsonian, en lid van het Megamaser Cosmology Project-team.

"Onze meting van de Hubble-constante ligt heel dicht bij andere recente metingen, en statistisch zeer verschillend van de voorspellingen op basis van de CMB en het standaard kosmologische model. Alle indicaties zijn dat het standaardmodel moet worden herzien, ’ zei Braatz.

Astronomen hebben verschillende manieren om het model aan te passen om de discrepantie op te lossen. Sommige hiervan omvatten veranderende veronderstellingen over de aard van donkere energie, afstand nemen van de kosmologische constante van Einstein. Anderen kijken naar fundamentele veranderingen in de deeltjesfysica, zoals het veranderen van de aantallen of soorten neutrino's of de mogelijkheden van interacties tussen hen. Er zijn andere mogelijkheden, nog exotischer, en op dit moment hebben wetenschappers geen duidelijk bewijs om ze te discrimineren.

"Dit is een klassiek geval van de wisselwerking tussen observatie en theorie. Het Lambda CDM-model werkt al jaren vrij goed, maar nu wijzen waarnemingen duidelijk op een probleem dat moet worden opgelost, en het lijkt erop dat het probleem bij het model ligt, ' zei Pesce.