Het universum dijt uit, maar astrofysici weten niet precies hoe snel die uitdijing plaatsvindt - niet omdat er geen antwoorden zijn, maar eerder omdat de antwoorden die ze konden geven niet overeenkomen.

Nutsvoorzieningen, Simon Birrer, een postdoctoraal onderzoeker aan de Stanford University en het Kavli Institute for Particle Physics and Astrophysics aan het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, en een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuw antwoord dat, eenmaal verfijnd met meer gegevens, helpen het debat op te lossen.

Dat nieuwe antwoord is het resultaat van het opnieuw bekijken van een decennia-oude methode genaamd tijdvertragingskosmografie met nieuwe aannames en aanvullende gegevens om een ​​nieuwe schatting van de Hubble-constante af te leiden, een maat voor de uitdijing van het heelal. Birrer en collega's publiceerden hun resultaten op 20 november in het tijdschrift Astronomie en astrofysica .

"Het is een voortzetting van een grote en succesvolle decennialange inspanning van een groot team, met een reset in bepaalde belangrijke aspecten van onze analyse, "Birrer zei, en een herinnering dat "we altijd onze veronderstellingen moeten heroverwegen. Ons recente werk is precies in deze geest."

Afstand, snelheid en geluid

Kosmologen weten al bijna een eeuw dat de kosmos uitdijt, en in die tijd zijn ze tot twee hoofdmanieren gekomen om die expansie te meten. Een methode is de kosmische afstandsladder, een reeks stappen die helpen bij het schatten van de afstand tot verre supernova's. Door het spectrum van licht van deze supernova's te onderzoeken, wetenschappers kunnen berekenen hoe snel ze van ons weglopen, deel vervolgens door afstand om de Hubble-constante te schatten. (De Hubble-constante wordt meestal gemeten in kilometers per seconde per megaparsec, weerspiegelt het feit dat de ruimte zelf groeit, zodat verder verwijderde objecten sneller van ons wegtrekken dan dichterbij gelegen objecten.)

Astrofysici kunnen ook de constante schatten van rimpelingen in de kosmische microgolfachtergrondstraling, of CMB. Die rimpelingen zijn het gevolg van geluidsgolven die door plasma in het vroege heelal reizen. Door de grootte van de rimpelingen te meten, kunnen ze afleiden hoe lang geleden en hoe ver weg het CMB-licht dat we vandaag zien, werd gecreëerd. Op basis van gevestigde kosmologische theorie, onderzoekers kunnen dan inschatten hoe snel het heelal uitdijt.

Beide benaderingen, echter, nadelen hebben. Geluidsgolfmethoden zijn sterk afhankelijk van hoe geluid zich in het vroege heelal voortplantte, die op zijn beurt afhangt van de specifieke mix van soorten materie op dat moment, over hoe lang geluidsgolven reisden voordat ze hun afdruk achterlieten op de CMB, en op aannames over de uitdijing van het heelal sinds die tijd. In de tussentijd, kosmische afstandsladdermethoden ketenen een reeks schattingen aan elkaar, te beginnen met radarschattingen van de afstand tot de zon en parallaxschattingen van de afstand tot pulserende sterren die cepheïden worden genoemd. Dat introduceert een keten van kalibraties en metingen, die elk nauwkeurig en nauwkeurig genoeg moeten zijn om een ​​betrouwbare schatting van de Hubble-constante te garanderen.

Een lens uit het verleden

Maar er is een manier om afstanden directer te meten, gebaseerd op zogenaamde sterke zwaartekrachtlenzen. De zwaartekracht buigt de ruimtetijd zelf en daarmee het pad dat het licht door de kosmos neemt. Een speciaal geval is wanneer een zeer massief object, zoals een melkwegstelsel, buigt het licht van een ver object rond zodat licht ons langs meerdere verschillende paden bereikt, effectief meerdere afbeeldingen van hetzelfde achtergrondobject maken. Een bijzonder mooi voorbeeld is wanneer het verre object in de loop van de tijd varieert, bijvoorbeeld als aangroeiende superzware zwarte gaten, bekend als quasars, doen. Omdat het licht een iets andere hoeveelheid tijd aflegt langs elk pad rond het lensstelsel, het resultaat is meerdere enigszins niet-gesynchroniseerde beelden van hetzelfde flikkeren.

Dit fenomeen is meer dan alleen mooi. Terug in de jaren 60, studenten van de zwaartekrachttheorie van Einstein, algemene relativiteitstheorie, toonden aan dat ze sterke zwaartekrachtlenzen en het licht dat ze buigen konden gebruiken om kosmische afstanden directer te meten - als ze de relatieve timing langs elk pad precies genoeg konden meten en als ze wisten hoe de materie in het lensstelsel was verdeeld.

Over de afgelopen tien jaar, Birrer zei, metingen nauwkeurig genoeg werden om deze methode uit te voeren, tijdvertraging kosmografie, van idee naar werkelijkheid. Opeenvolgende metingen en een toegewijde inspanning van de H0LiCOW, KOSMOGRAM, STAPPEN, en SHARP-teams, nu onder de gezamenlijke koepelorganisatie TDCOSMO, culmineerde in een nauwkeurige Hubble-constante meting van ongeveer 73 kilometer per seconde per megaparsec met een nauwkeurigheid van 2%. Dat komt overeen met schattingen gemaakt met de lokale afstandsladdermethode, maar in spanning met de kosmische microgolfachtergrondmetingen onder de standaard kosmologische modelaannames.

Aannames voor massadistributie van sterrenstelsels

Maar er klopte iets niet met Birrer:de modellen van de structuur van sterrenstelsels waarop eerdere studies vertrouwden, waren misschien niet nauwkeurig genoeg om te concluderen dat de Hubble-constante anders was dan schattingen op basis van de kosmische microgolfachtergrond. "Ik ging naar mijn collega's en zei:'Ik wil een onderzoek doen dat niet op die aannames steunt, ' zei Birrer.

In hun plaats, Birrer stelde voor om een ​​reeks extra zwaartekrachtlenzen te onderzoeken om een ​​meer op waarneming gefundeerde schatting te maken van de massa en structuur van de lensstelsels om eerdere aannames te vervangen. De nieuwe avenue Birrer en het team, TDCOSMO, waar de onderneming opzettelijk blind werd gehouden - wat betekent dat de hele analyse werd uitgevoerd zonder de resulterende uitkomst op de Hubble-constante te kennen - om vooringenomenheid van de experimentator te voorkomen, een procedure die al in de vorige analyses van het team is vastgesteld en een integraal onderdeel is van de vooruitgang, zei Birrer.

Op basis van deze nieuwe analyse met aanzienlijk minder aannames toegepast op de zeven lensstelsels met tijdvertragingen die het team in eerdere studies heeft geanalyseerd, het team kwam tot een hogere waarde van de Hubble-constante, ongeveer 74 kilometer per seconde per megaparsec, maar met grotere onzekerheid - genoeg zodat hun waarde consistent was met zowel hoge als lage schattingen van de Hubble-constante.

Echter, toen Birrer en TDCOSMO 33 extra lenzen met vergelijkbare eigenschappen toevoegden - maar zonder een variabele bron om direct voor tijdvertragingskosmografie te werken - gebruikt om de galactische structuur te schatten, de constante schatting van Hubble daalde tot ongeveer 67 kilometer per seconde per megaparsec, met een onzekerheid van 5%, in goede overeenstemming met schattingen van geluidsgolven zoals die van de CMB, maar ook statistisch consistent met de eerdere bepalingen, gezien de onzekerheden.

Die substantiële verschuiving betekent niet dat het debat over de waarde van de Hubble-constante voorbij is - verre van dat, zei Birrer. Voor een ding, zijn methode introduceert nieuwe onzekerheid in de schatting die verband houdt met de 33 extra lenzen die aan de analyse worden toegevoegd, en TDCOSMO hebben meer gegevens nodig om hun resultaten te bevestigen, hoewel die gegevens misschien niet ver in de toekomst liggen. Birrer:"Hoewel onze nieuwe analyse de aannames van het massaprofiel van ons vorige werk statistisch niet ontkracht, het toont het belang aan van het begrijpen van de massaverdeling binnen sterrenstelsels, " hij zei.

"We verzamelen nu de gegevens waarmee we de meeste precisie kunnen terugkrijgen die we eerder hadden bereikt op basis van sterkere aannames. Als we verder vooruit kijken, zullen we ook beelden hebben van veel meer lensstelsels van de Rubin Observatory Legacy Survey of Space en Tijd om voort te bouwen op onze schattingen. Onze huidige analyse is slechts de eerste stap en maakt de weg vrij om deze aankomende datasets te gebruiken om een ​​definitieve conclusie te trekken over het resterende probleem."