Astronomen hebben NASA's Hubble-ruimtetelescoop gebruikt om de meest nauwkeurige metingen van de uitdijingssnelheid van het universum te maken sinds deze voor het eerst bijna een eeuw geleden werd berekend. Intrigerend, de resultaten dwingen astronomen te bedenken dat ze mogelijk bewijs zien van iets onverwachts aan het werk in het universum.

Dat komt omdat de laatste Hubble-bevinding een zeurende discrepantie bevestigt die aantoont dat het universum nu sneller uitdijt dan werd verwacht op basis van zijn baan kort na de oerknal. Onderzoekers suggereren dat er mogelijk nieuwe fysica is om de inconsistentie te verklaren.

"De gemeenschap worstelt echt met het begrijpen van de betekenis van deze discrepantie, " zei hoofdonderzoeker en Nobelprijswinnaar Adam Riess van het Space Telescope Science Institute (STScI) en de Johns Hopkins University, zowel in Baltimore, Maryland.

Het Riess-team, waaronder Stefano Casertano, ook van STScI en Johns Hopkins, heeft Hubble de afgelopen zes jaar gebruikt om de metingen van de afstanden tot sterrenstelsels te verfijnen, hun sterren gebruiken als mijlpalen. Die metingen worden gebruikt om te berekenen hoe snel het heelal uitdijt met de tijd, een waarde die bekend staat als de Hubble-constante. De nieuwe studie van het team breidt het aantal geanalyseerde sterren uit tot afstanden tot 10 keer verder in de ruimte dan eerdere Hubble-resultaten.

Maar de waarde van Riess versterkt het verschil met de verwachte waarde afgeleid van waarnemingen van de uitdijing van het vroege heelal, 378, 000 jaar na de oerknal - de gewelddadige gebeurtenis die het universum ongeveer 13,8 miljard jaar geleden creëerde. Die metingen zijn gedaan door de Planck-satelliet van de European Space Agency, die de kosmische microgolfachtergrond in kaart brengt, een overblijfsel van de oerknal. Het verschil tussen de twee waarden is ongeveer 9 procent. De nieuwe Hubble-metingen helpen de kans dat de discrepantie in de waarden toeval is, te verkleinen tot 1 op 5, 000.

Het resultaat van Planck voorspelde dat de Hubble-constante nu 67 kilometer per seconde per megaparsec (3,3 miljoen lichtjaar) zou zijn, en kon niet hoger zijn dan 69 kilometer per seconde per megaparsec. Dit betekent dat voor elke 3,3 miljoen lichtjaar verder weg een melkwegstelsel van ons verwijderd is, het beweegt 67 kilometer per seconde sneller. Maar het team van Riess mat een waarde van 73 kilometer per seconde per megaparsec, wat aangeeft dat sterrenstelsels sneller bewegen dan geïmpliceerd door waarnemingen van het vroege heelal.

De Hubble-gegevens zijn zo nauwkeurig dat astronomen de kloof tussen de twee resultaten niet kunnen afdoen als fouten in een enkele meting of methode. "Beide resultaten zijn op meerdere manieren getest, dus behoudens een reeks niet-gerelateerde fouten, "Riess legde uit, "het wordt steeds waarschijnlijker dat dit geen bug is, maar een kenmerk van het universum."

Een vervelende discrepantie verklaren

Riess schetste enkele mogelijke verklaringen voor de mismatch, allemaal gerelateerd aan de 95 procent van het universum dat in duisternis is gehuld. Een mogelijkheid is dat donkere energie, waarvan al bekend is dat het de kosmos versnelt, kunnen sterrenstelsels met nog grotere - of groeiende - kracht van elkaar wegduwen. Dit betekent dat de versnelling zelf misschien geen constante waarde heeft in het heelal, maar in de loop van de tijd in het heelal verandert. Riess deelde een Nobelprijs voor de ontdekking van het versnellende heelal in 1998.

Een ander idee is dat het universum een ​​nieuw subatomair deeltje bevat dat dicht bij de lichtsnelheid reist. Dergelijke snelle deeltjes worden gezamenlijk "donkere straling" genoemd en omvatten eerder bekende deeltjes zoals neutrino's, die ontstaan ​​bij kernreacties en radioactief verval. In tegenstelling tot een normaal neutrino, die interageert door een subatomaire kracht, dit nieuwe deeltje zou alleen door de zwaartekracht worden beïnvloed en wordt een 'steriel neutrino' genoemd.

Nog een andere aantrekkelijke mogelijkheid is dat donkere materie (een onzichtbare vorm van materie die niet bestaat uit protonen, neutronen, en elektronen) interageert sterker met normale materie of straling dan eerder werd aangenomen.

Elk van deze scenario's zou de inhoud van het vroege heelal veranderen, leidt tot inconsistenties in theoretische modellen. Deze inconsistenties zouden resulteren in een onjuiste waarde voor de Hubble-constante, afgeleid uit waarnemingen van de jonge kosmos. Deze waarde zou dan op gespannen voet staan ​​met het aantal afgeleid van de Hubble-waarnemingen.

Riess en zijn collega's hebben nog geen antwoorden op dit vervelende probleem, maar zijn team zal blijven werken aan het verfijnen van de uitdijingssnelheid van het universum. Tot dusver, Het Riess-team, genaamd de Supernova H0 voor de Staatsvergelijking (SH0ES), heeft de onzekerheid teruggebracht tot 2,3 procent. Voordat Hubble in 1990 werd gelanceerd, schattingen van de Hubble-constante varieerden met een factor twee. Een van de belangrijkste doelen van Hubble was om astronomen te helpen de waarde van deze onzekerheid te verminderen tot binnen een fout van slechts 10 procent. Sinds 2005, de groep is op een zoektocht geweest om de nauwkeurigheid van de Hubble-constante te verfijnen tot een precisie die een beter begrip van het gedrag van het universum mogelijk maakt.

Een sterke afstandsladder bouwen

Het team is erin geslaagd de constante waarde van Hubble te verfijnen door de constructie van de kosmische afstandsladder te stroomlijnen en te versterken, die de astronomen gebruiken om nauwkeurige afstanden tot sterrenstelsels dichtbij en ver van de aarde te meten. The researchers have compared those distances with the expansion of space as measured by the stretching of light from receding galaxies. They then have used the apparent outward velocity of galaxies at each distance to calculate the Hubble constant.

But the Hubble constant's value is only as precise as the accuracy of the measurements. Astronomers cannot use a tape measure to gauge the distances between galaxies. In plaats daarvan, they have selected special classes of stars and supernovae as cosmic yardsticks or milepost markers to precisely measure galactic distances.

Among the most reliable for shorter distances are Cepheid variables, pulsating stars that brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. Their distances, daarom, can be inferred by comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth.

Astronomer Henrietta Leavitt was the first to recognize the utility of Cepheid variables to gauge distances in 1913. But the first step is to measure the distances to Cepheids independent of their brightness, using a basic tool of geometry called parallax. Parallax is the apparent shift of an object's position due to a change in an observer's point of view. This technique was invented by the ancient Greeks who used it to measure the distance from Earth to the Moon.

The latest Hubble result is based on measurements of the parallax of eight newly analyzed Cepheids in our Milky Way galaxy. These stars are about 10 times farther away than any studied previously, residing between 6, 000 light-years and 12, 000 lichtjaar van de aarde, making them more challenging to measure. They pulsate at longer intervals, just like the Cepheids observed by Hubble in distant galaxies containing another reliable yardstick, exploding stars called Type Ia supernovae. This type of supernova flares with uniform brightness and is brilliant enough to be seen from relatively farther away. Previous Hubble observations studied 10 faster-blinking Cepheids located 300 light-years to 1, 600 light-years from Earth.

Scanning the Stars

To measure parallax with Hubble, the team had to gauge the apparent tiny wobble of the Cepheids due to Earth's motion around the Sun. These wobbles are the size of just 1/100 of a single pixel on the telescope's camera, which is roughly the apparent size of a grain of sand seen 100 miles away.

Daarom, to ensure the accuracy of the measurements, the astronomers developed a clever method that was not envisioned when Hubble was launched. The researchers invented a scanning technique in which the telescope measured a star's position a thousand times a minute every six months for four years.

The team calibrated the true brightness of the eight slowly pulsating stars and cross-correlated them with their more distant blinking cousins to tighten the inaccuracies in their distance ladder. The researchers then compared the brightness of the Cepheids and supernovae in those galaxies with better confidence, so they could more accurately measure the stars' true brightness, and therefore calculate distances to hundreds of supernovae in far-flung galaxies with more precision.

Another advantage to this study is that the team used the same instrument, Hubble's Wide Field Camera 3, to calibrate the luminosities of both the nearby Cepheids and those in other galaxies, eliminating the systematic errors that are almost unavoidably introduced by comparing those measurements from different telescopes.

"Ordinarily, if every six months you try to measure the change in position of one star relative to another at these distances, you are limited by your ability to figure out exactly where the star is, " Casertano explained. Using the new technique, Hubble slowly slews across a stellar target, and captures the image as a streak of light. "This method allows for repeated opportunities to measure the extremely tiny displacements due to parallax, " Riess added. "You're measuring the separation between two stars, not just in one place on the camera, but over and over thousands of times, reducing the errors in measurement."

The team's goal is to further reduce the uncertainty by using data from Hubble and the European Space Agency's Gaia space observatory, which will measure the positions and distances of stars with unprecedented precision. "This precision is what it will take to diagnose the cause of this discrepancy, " Casertano said.