Gebruikmakend van de kracht en synergie van twee ruimtetelescopen, astronomen hebben tot nu toe de meest nauwkeurige meting gedaan van de uitdijingssnelheid van het heelal.

De resultaten voeden de mismatch tussen metingen voor de uitdijingssnelheid van het nabije heelal, en die van de verre, oeruniversum - voordat sterren en sterrenstelsels zelfs maar bestonden.

Deze zogenaamde "spanning" impliceert dat er nieuwe fysica zou kunnen zijn die ten grondslag ligt aan de fundamenten van het universum. Mogelijkheden zijn onder meer de interactiesterkte van donkere materie, donkere energie nog exotischer is dan eerder werd gedacht, of een onbekend nieuw deeltje in het tapijt van de ruimte.

Door observaties van NASA's Hubble Space Telescope en het Gaia-ruimteobservatorium van de European Space Agency (ESA) te combineren, astronomen hebben de vorige waarde voor de Hubble-constante verder verfijnd, de snelheid waarmee het heelal uitdijt vanaf de oerknal 13,8 miljard jaar geleden.

Maar naarmate de metingen nauwkeuriger zijn geworden, de bepaling van de Hubble-constante door het team komt steeds meer in tegenspraak met de metingen van een ander ruimteobservatorium, ESA's Planck-missie, die komt met een andere voorspelde waarde voor de Hubble-constante.

Planck bracht het oeruniversum in kaart zoals het er slechts 360 leek, 000 jaar na de oerknal. De hele lucht is bedrukt met de handtekening van de oerknal gecodeerd in microgolven. Planck mat de grootte van de rimpelingen in deze Cosmic Microwave Background (CMB) die werden geproduceerd door kleine onregelmatigheden in de oerknalvuurbal. De fijne details van deze rimpelingen coderen hoeveel donkere materie en normale materie er is, de baan van het universum op dat moment, en andere kosmologische parameters.

Deze metingen, wordt nog beoordeeld, laten wetenschappers voorspellen hoe het vroege heelal waarschijnlijk zou zijn geëvolueerd tot de expansiesnelheid die we vandaag kunnen meten. Echter, die voorspellingen lijken niet overeen te komen met de nieuwe metingen van ons nabije hedendaagse universum.

"Met de toevoeging van deze nieuwe Gaia en Hubble Space Telescope-gegevens, we hebben nu een serieuze spanning met de Cosmic Microwave Background-gegevens, " zei Planck-teamlid en hoofdanalist George Efstathiou van het Kavli Institute for Cosmology in Cambridge, Engeland, die niet betrokken was bij het nieuwe werk.

"De spanning lijkt te zijn uitgegroeid tot een volslagen onverenigbaarheid tussen onze opvattingen over het vroege en late universum, " zei teamleider en Nobelprijswinnaar Adam Riess van het Space Telescope Science Institute en de Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland. "Op dit punt, het is duidelijk niet zomaar een grove fout in een enkele meting. Het is alsof je voorspelde hoe groot een kind zou worden aan de hand van een groeimeter en dan ontdekte dat de volwassene die hij of zij werd de voorspelling ruimschoots overtrof. We zijn erg verbijsterd."

In 2005, Riess en leden van het SHOES-team (Supernova H0 for the Equation of State) gingen op pad om de uitdijingssnelheid van het universum met ongekende nauwkeurigheid te meten. In de komende jaren, door hun technieken te verfijnen, dit team heeft de onzekerheid van de snelheidsmeting teruggebracht tot ongekende niveaus. Nutsvoorzieningen, met de kracht van Hubble en Gaia gecombineerd, ze hebben die onzekerheid teruggebracht tot slechts 2,2 procent.

Omdat de Hubble-constante nodig is om de leeftijd van het heelal te schatten, het lang gezochte antwoord is een van de belangrijkste getallen in de kosmologie. Het is vernoemd naar astronoom Edwin Hubble, die bijna een eeuw geleden ontdekte dat het universum zich uniform in alle richtingen uitbreidde - een bevinding die de moderne kosmologie heeft voortgebracht.

Sterrenstelsels lijken zich van de aarde terug te trekken in verhouding tot hun afstanden, wat betekent dat hoe verder weg ze zijn, hoe sneller ze weg lijken te gaan. Dit is een gevolg van de uitbreiding van de ruimte, en niet een waarde van de werkelijke ruimtesnelheid. Door de waarde van de Hubble-constante in de tijd te meten, astronomen kunnen een beeld construeren van onze kosmische evolutie, de samenstelling van het universum afleiden, en ontdek aanwijzingen over zijn uiteindelijke lot.

De twee belangrijkste methoden voor het meten van dit aantal geven onverenigbare resultaten. Een methode is direct, building a cosmic "distance ladder" from measurements of stars in our local universe. The other method uses the CMB to measure the trajectory of the universe shortly after the big bang and then uses physics to describe the universe and extrapolate to the present expansion rate. Samen, the measurements should provide an end-to-end test of our basic understanding of the so-called "Standard Model" of the universe. Echter, the pieces don't fit.

Using Hubble and newly released data from Gaia, Riess' team measured the present rate of expansion to be 73.5 kilometers (45.6 miles) per second per megaparsec. This means that for every 3.3 million light-years farther away a galaxy is from us, it appears to be moving 73.5 kilometers per second faster. Echter, the Planck results predict the universe should be expanding today at only 67.0 kilometers (41.6 miles) per second per megaparsec. As the teams' measurements have become more and more precise, the chasm between them has continued to widen, and is now about four times the size of their combined uncertainty.

Door de jaren heen, Riess' team has refined the Hubble constant value by streamlining and strengthening the "cosmic distance ladder, " used to measure precise distances to nearby and far-off galaxies. They compared those distances with the expansion of space, measured by the stretching of light from nearby galaxies. Using the apparent outward velocity at each distance, they then calculated the Hubble constant.

To gauge the distances between nearby galaxies, his team used a special type of star as cosmic yardsticks or milepost markers. These pulsating stars, called Cepheid variables, brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. By comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth, scientists can calculate their distances.

Gaia further refined this yardstick by geometrically measuring the distance to 50 Cepheid variables in the Milky Way. These measurements were combined with precise measurements of their brightnesses from Hubble. This allowed the astronomers to more accurately calibrate the Cepheids and then use those seen outside the Milky Way as milepost markers.

"When you use Cepheids, you need both distance and brightness, " explained Riess. Hubble provided the information on brightness, and Gaia provided the parallax information needed to accurately determine the distances. Parallax is the apparent change in an object's position due to a shift in the observer's point of view. Ancient Greeks first used this technique to measure the distance from Earth to the Moon.

"Hubble is really amazing as a general-purpose observatory, but Gaia is the new gold standard for calibrating distance. It is purpose-built for measuring parallax—this is what it was designed to do, " Stefano Casertano of the Space Telescope Science Institute and a member of the SHOES team added. "Gaia brings a new ability to recalibrate all past distance measures, and it seems to confirm our previous work. We get the same answer for the Hubble constant if we replace all previous calibrations of the distance ladder with just the Gaia parallaxes. It's a crosscheck between two very powerful and precise observatories."

The goal of Riess' team is to work with Gaia to cross the threshold of refining the Hubble constant to a value of only one percent by the early 2020s. In de tussentijd, astrophysicists will likely continue to grapple with revisiting their ideas about the physics of the early universe.

The Riess team's latest results are published in the July 12 issue of the Astrofysisch tijdschrift .