science >> Wetenschap >  >> Astronomie

De onzekerheden bij het meten van kosmische expansie

Een afbeelding van verre sterrenstelsels zoals gezien door de VIMOS- en WFI-instrumenten op de ESO Very Large Telescope. Twee verschillende methoden voor het bepalen van de kosmische uitdijingssnelheid van het heelal hebben nauwkeurige maar onderling inconsistente resultaten opgeleverd. Astronomen hadden gehoopt dat een derde methode die zwaartekrachtgolven gebruikt, nauwkeuriger zou zijn, maar een nieuwe analyse toont aan dat de onzekerheden ervan ongeveer even groot zijn als bij de andere methoden. Krediet:ESO/ Mario Nonino, Piero Rosati en het ESO GOODS-team

Negentig jaar nadat Edwin Hubble de systematische bewegingen van sterrenstelsels ontdekte en George Lemaitre ze uitlegde als kosmische expansie vanuit een punt met behulp van Einsteins relativiteitsvergelijkingen, observationele kosmologie staat vandaag de dag voor een uitdaging. Waarden afgeleid van de twee primaire methodologieën - de eigenschappen van sterrenstelsels en de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMBR) - zijn het met elkaar oneens op ongeveer tien procent niveau, toch is elk ervan nauwkeurig op het niveau van een paar procent. Ongecorrigeerde waarnemingsfouten zijn mogelijk, maar schattingen suggereren dat ze te klein zijn om de verschillen te verklaren. Als resultaat, er is geen consistente en precieze waarde van de expansie - de constante van Hubble - gevonden. Het probleem is niet zozeer de waarde zelf - de leeftijd van het universum zal hoe dan ook niet veel veranderen - eerder, het is dat er duidelijk iets onverklaarbaars aan de hand is in verband met het feit dat de CMBR-gegevens afkomstig zijn uit een heel ander tijdperk van kosmische tijd dan de melkweggegevens. Misschien is er nieuwe fysica nodig.

Een opwindende nieuwe en onafhankelijke methode voor het meten van de kosmische expansieparameter maakt gebruik van zwaartekrachtsgolven (GW). De waargenomen intensiteit van de GW geeft een maat voor de afstand, aangezien modellen de intrinsieke sterkte kunnen afleiden. Wanneer de GW het resultaat is van een fusie van binaire neutronensterren die een gedetecteerde optische tegenhanger heeft, de kosmische recessiesnelheid van het gaststelsel (zoals gemeten aan de hand van het licht) biedt een kalibratie voor de expansiesnelheid. Deze nieuwe methode wordt de "standaardsirene" genoemd. Als de nauwkeurigheid van de standaard sirenemethode beter is dan die van de andere methoden, het zou de discrepantie kunnen oplossen.

CfA-astronoom Hsin-Yu Chen heeft de onzekerheden onderzocht die samenhangen met de standaard sirene-methode en constateert dat twee problemen de standaard sirene-methode bemoeilijken en grote uitdagingen vormen voor het oplossen van de spanning. Beide zijn gerelateerd aan het uitgestraalde licht en de kijkhoek van de bron. Het eerste probleem is dat het licht niet bolvormig wordt uitgestraald volgens computersimulaties, en dus hangt de intensiteit die we waarnemen af ​​van onze kijkhoek; zelfs de kleur is hoekafhankelijk. De kijkhoek moet op de een of andere manier worden geschat en opgenomen in de kalibratie, en dit brengt een onzekerheid met zich mee. De tweede is dat de fusiegebeurtenis ook wordt gezien vanuit een bepaalde hoek die het resultaat beïnvloedt; zelfs na het observeren van vele bronnen, een statistische analyse van de steekproef zal nog steeds een onzekere bias hebben. Chen concludeert dat deze twee systematische effecten een vertekening in de standaard sirenewaarde van Hubble's constante zullen introduceren, wat resulteert in een onzekerheid die ongeveer even groot is als de onzekerheid bij andere methoden.