Ondanks een eeuw van metingen, astronomen kunnen het niet eens worden over de snelheid waarmee het heelal uitdijt. Een techniek die gebaseerd is op het meten van afstanden tot een specifiek type ouder wordende ster in andere sterrenstelsels, de J-regio Asymptotic Giant Branch genaamd, of JAGB-methode—kan misschien helpen.

Astrofysicus en afgestudeerde student aan de Universiteit van Chicago, Abigail Lee, is de hoofdauteur van een nieuw artikel dat waarnemingen van licht van een nabijgelegen sterrenstelsel analyseerde om de JAGB-methode voor het meten van kosmologische afstanden te valideren. Deze nieuwe techniek zal toekomstige onafhankelijke afstandsmetingen mogelijk maken die kunnen helpen bij het beantwoorden van een van de grootste openstaande vragen in de kosmologie:hoe snel breidt het universum zich uit?

"Een van de meest opwindende vragen in de kosmologie van vandaag is of er nieuwe fysica ontbreekt in ons huidige begrip van hoe het universum evolueert. Een huidige discrepantie in de meting van de Hubble-constante kan wijzen op een nieuwe fysieke eigenschap van het universum of, meer alledaags, niet-herkende meetonzekerheden, " zei Wendy L. Freedman, de John en Marion Sullivan University Professor of Astronomy and Astrophysics en senior auteur op het papier. "Er zijn maar weinig methoden om afstanden te meten die de vereiste nauwkeurigheid kunnen leveren. Lee ontwikkelt deze nieuwe JAGB-methode, die een vroege belofte toont voor het oplossen van deze discrepantie."

Een sleutel tot de geschiedenis van het universum

Terug in 1920, Edwin Hubble, doctoraat."17, merkte voor het eerst de relatie op tussen de afstand van een melkwegstelsel en hoe snel het van ons af bewoog. deze waarde, nu bekend als de Hubble-constante, is een belangrijke parameter in kosmologische modellen.

Hubble heeft deze constante eerst gemeten door galactische afstands- en snelheidsmetingen te vergelijken die zijn afgeleid van een specifiek soort ster dat regelmatig pulseert. Metingen met behulp van directe methoden zoals die van Hubble zijn de afgelopen decennia enorm verbeterd, maar ze zijn het niet eens met methoden die extrapoleren van de kosmische microgolfachtergrond - licht dat overblijft uit het zeer vroege heelal. Deze onenigheid wordt de Hubble-spanning genoemd, en is een van de meest prominente kwesties van de moderne kosmologie.

Een onafhankelijke meetmethode zou kunnen helpen de kloof tussen methoden te overbruggen en leiden tot een meer beslissend beeld van de Hubble-constante zoals direct gemeten vanaf afstanden, zeiden de auteurs.

Dat is waar de JAGB-methode om de hoek komt kijken. Sterren in de J-regio Asymptotic Giant Branch zijn een specifiek type verouderende reuzen die een aanzienlijke hoeveelheid koolstof in hun atmosfeer bevatten die door convectiestromen naar de oppervlakte wordt gebracht, waardoor ze een zeer aparte kleur en helderheid krijgen waardoor ze kunnen worden geïdentificeerd in een reeks sterren in een melkwegstelsel.

"We hebben empirisch waargenomen dat deze sterren een bekende intrinsieke helderheid hebben van melkweg tot melkweg, "zei Leen.

Dit maakt hen tot de beste kandidaten voor wat astronomen standaardkaarsen noemen. Omdat de schijnbare helderheid van een waargenomen ster afhangt van zowel de afstand tot de waarnemer als de intrinsieke helderheid, het kennen van de intrinsieke helderheid van een ster kan astronomen in staat stellen de afstand ervan af te leiden.

“Omdat deze methode relatief nieuw is, het doel van dit project was om te zien of het andere afstandsindicatoren kon evenaren in precisie en nauwkeurigheid, "zei Leen.

Naar de sterren gaan om te checken

Het team selecteerde een sterrenstelsel aan de rand van de dichtstbijzijnde groep sterrenstelsels, genaamd Wolf-Lundmark-Melotte of WLM, en gebruikte gegevens uit waarnemingen met de Magellan-telescopen van het Las Campanas-observatorium in Chili. Door een enkel object als doel te gebruiken en vier verschillende onafhankelijke meetmethoden toe te passen, het team kon de nauwkeurigheid en precisie van de JAGB-methode vergelijken met eerder vastgestelde methoden.

Na analyse van de gegevens op vier verschillende manieren, onderzoekers hebben vastgesteld dat de JAGB-methode niet alleen een onafhankelijke controle is op andere afstandsmeetmethoden, maar dat er minder waarnemingstijd voor nodig is - een schaars goed in een gemeenschap van astronomen die strijden om tijd op een beperkt aantal krachtige telescopen.

Omdat JAGB-sterren helderder zijn dan sterren die bij andere afstandsmetingen worden gebruikt, ze zijn ook verder weg te zien, waardoor kalibraties op grotere afstand mogelijk zijn dan met andere methoden mogelijk is. Aanvullend, JAGB-sterren komen voor in alle soorten sterrenstelsels, in tegenstelling tot de pulserende sterren die door Hubble worden gebruikt, die alleen worden aangetroffen in de meer beperkte subset van spiraalstelsels en vaak last hebben van verdringing en aanzienlijke interferentie van stof.

"Idealiter krijgen we observatietijd van de James Webb Space Telescope en Hubble Space Telescope om deze methode te gebruiken om afstanden te meten tot sterrenstelsels die Type Ia-supernova's hosten, " zei Lee. Type Ia-supernova's worden gebruikt om verder verwijderde sterrenstelsels te meten, maar ze moeten worden gekalibreerd door kortere afstandsmetingen met behulp van technieken zoals de JAGB-methode. "Als we dat eenmaal doen, we kunnen niet alleen de Hubble-constante meten, maar ook deze verschillende afstandsmethoden vergelijken om te zien of er problemen zijn met een van hen."

Of dat nu nieuwe, onafhankelijke waarde voor de Hubble-constante komt overeen met andere directe meetmethoden, anders zullen de metingen van het vroege heelal licht werpen op deze vraag die astronomen en kosmologen al lang voor een raadsel houdt.

"We hebben geen stevige greep op de waarde van de Hubble-constante, dus dit is echt belangrijk werk om een ​​van de grootste problemen in de kosmologie op dit moment aan te pakken, "zei Leen.