Astronomen die NASA's Hubble-ruimtetelescoop gebruiken, zeggen dat ze een belangrijke drempel hebben overschreden bij het onthullen van een discrepantie tussen de twee belangrijkste technieken voor het meten van de expansiesnelheid van het universum. De recente studie versterkt het argument dat nieuwe theorieën nodig kunnen zijn om de krachten te verklaren die de kosmos hebben gevormd.

Een korte samenvatting:het universum wordt elke seconde groter. De ruimte tussen sterrenstelsels rekt zich uit, als deeg dat in de oven rijst. Maar hoe snel dijt het heelal uit? Terwijl Hubble en andere telescopen deze vraag proberen te beantwoorden, ze zijn een intrigerend verschil tegengekomen tussen wat wetenschappers voorspellen en wat ze waarnemen.

Hubble-metingen suggereren een snellere expansiesnelheid in het moderne universum dan verwacht, gebaseerd op hoe het universum er meer dan 13 miljard jaar geleden uitzag. Deze metingen van het vroege heelal zijn afkomstig van de Planck-satelliet van de European Space Agency. Deze discrepantie is de afgelopen jaren in wetenschappelijke artikelen vastgesteld, maar het is onduidelijk of verschillen in meettechnieken de oorzaak zijn, of dat het verschil zou kunnen voortvloeien uit ongelukkige metingen.

De laatste Hubble-gegevens verlagen de mogelijkheid dat de discrepantie slechts een toevalstreffer is tot 1 op 100, 000. Dit is een aanzienlijke winst ten opzichte van een eerdere schatting, minder dan een jaar geleden, kans van 1 op 3, 000.

Deze meest nauwkeurige Hubble-metingen tot nu toe versterken het idee dat nieuwe fysica nodig kan zijn om de mismatch te verklaren.

"De Hubble-spanning tussen het vroege en late universum is misschien wel de meest opwindende ontwikkeling in de kosmologie in decennia, " zei hoofdonderzoeker en Nobelprijswinnaar Adam Riess van het Space Telescope Science Institute (STScI) en de Johns Hopkins University, in Baltimore, Maryland. "Deze mismatch is gegroeid en heeft nu een punt bereikt dat echt onmogelijk als toevalstreffer kan worden afgedaan. Deze ongelijkheid kan niet zomaar bij toeval ontstaan."

Aandraaien van de bouten op de 'kosmische afstandsladder'

Wetenschappers gebruiken een "kosmische afstandsladder" om te bepalen hoe ver dingen in het universum zijn. Deze methode is afhankelijk van het nauwkeurig meten van afstanden tot nabije sterrenstelsels en vervolgens verplaatsen naar verder en verder weg gelegen sterrenstelsels. hun sterren gebruiken als mijlpalen. Astronomen gebruiken deze waarden, samen met andere metingen van het licht van de sterrenstelsels dat rood wordt als het door een uitgestrekt heelal gaat, om te berekenen hoe snel de kosmos uitdijt met de tijd, een waarde die bekend staat als de Hubble-constante. Riess en zijn SH0ES-team (Supernovae H0 for the Equation of State) zijn sinds 2005 op zoek naar het verfijnen van die afstandsmetingen met Hubble en het verfijnen van de Hubble-constante.

In deze nieuwe studie astronomen gebruikten Hubble om 70 pulserende sterren, Cephe-variabelen genaamd, in de Grote Magelhaense Wolk te observeren. De waarnemingen hielpen de astronomen de afstandsladder te "herbouwen" door de vergelijking tussen die Cepheïden en hun verder weg gelegen neven in de galactische gastheren van supernova's te verbeteren. Het team van Riess verminderde de onzekerheid in hun Hubble constante waarde tot 1,9% ten opzichte van een eerdere schatting van 2,2%.

Naarmate de metingen van het team nauwkeuriger zijn geworden, hun berekening van de Hubble-constante is op gespannen voet gebleven met de verwachte waarde die is afgeleid van waarnemingen van de uitdijing van het vroege heelal. Die metingen zijn gedaan door Planck, die de kosmische microgolfachtergrond in kaart brengt, een relikwie nagloeien uit 380, 000 jaar na de oerknal.

De metingen zijn grondig doorgelicht, dus astronomen kunnen de kloof tussen de twee resultaten momenteel niet afdoen als een fout in een enkele meting of methode. Beide waarden zijn op meerdere manieren getest.

"Dit zijn niet zomaar twee experimenten die het oneens zijn, " legde Riess uit. "We meten iets fundamenteel anders. Een daarvan is een meting van hoe snel het universum vandaag uitdijt, zoals we het zien. De andere is een voorspelling gebaseerd op de fysica van het vroege heelal en op metingen van hoe snel het zou moeten uitdijen. Als deze waarden niet overeenkomen, er wordt een zeer grote kans dat we iets missen in het kosmologische model dat de twee tijdperken met elkaar verbindt."

Hoe de nieuwe studie werd uitgevoerd

Astronomen gebruiken Cepheid-variabelen al meer dan een eeuw als kosmische maatstaven om nabije intergalactische afstanden te meten. Maar proberen een stel van deze sterren te oogsten was zo tijdrovend dat het bijna onhaalbaar was. Dus, het team gebruikte een slimme nieuwe methode, genaamd DASH (Drift And Shift), Hubble gebruiken als een "richt-en-schiet"-camera om snelle foto's te maken van de extreem heldere pulserende sterren, waardoor de tijdrovende behoefte aan nauwkeurig richten elimineert.

"Wanneer Hubble nauwkeurig wijst door zich op gidssterren te vergrendelen, het kan slechts één Cepheïde waarnemen per elke 90 minuten durende Hubble-baan rond de aarde. Dus, het zou erg duur zijn voor de telescoop om elke Cepheïde te observeren, " legde teamlid Stefano Casertano uit, ook van STScI en Johns Hopkins. "In plaats daarvan, we zochten naar groepen Cepheïden die zo dicht bij elkaar stonden dat we tussen hen konden bewegen zonder de telescoop opnieuw te kalibreren. Deze Cepheïden zijn zo helder, we hoeven ze maar twee seconden te observeren. Deze techniek stelt ons in staat om een ​​dozijn Cepheïden te observeren voor de duur van één baan. Dus, we blijven op gyroscoopcontrole en houden heel snel 'DASHing' rond."

De Hubble-astronomen combineerden hun resultaat vervolgens met een andere reeks waarnemingen, gemaakt door het Araucaria-project, een samenwerking tussen astronomen van instellingen in Chili, de VS, en Europa. Deze groep deed afstandsmetingen tot de Grote Magelhaense Wolk door het dimmen van licht waar te nemen als een ster voor zijn partner passeert in verduisterende dubbelstersystemen.

De gecombineerde metingen hielpen het SH0ES-team om de ware helderheid van de Cepheïden te verfijnen. Met dit nauwkeuriger resultaat, het team zou dan "de bouten kunnen aandraaien" van de rest van de afstandsladder die dieper in de ruimte reikt.

De nieuwe schatting van de Hubble-constante is 74 kilometer (46 mijl) per seconde per megaparsec. Dit betekent dat voor elke 3,3 miljoen lichtjaar verder weg een melkwegstelsel van ons verwijderd is, het lijkt 74 kilometer (46 mijl) per seconde sneller te gaan, als gevolg van de uitdijing van het heelal. Het getal geeft aan dat het universum 9% sneller uitdijt dan de voorspelling van 67 kilometer (41,6 mijl) per seconde per megaparsec, die afkomstig is van Plancks waarnemingen van het vroege heelal, gekoppeld aan ons huidige begrip van het universum.

Dus, wat zou deze discrepantie kunnen verklaren?

Een verklaring voor de mismatch betreft een onverwachte verschijning van donkere energie in het jonge universum, waarvan wordt gedacht dat het nu 70% van de inhoud van het universum omvat. Voorgesteld door astronomen van Johns Hopkins, de theorie wordt "vroege donkere energie, " en suggereert dat het universum evolueerde als een toneelstuk in drie bedrijven.

Astronomen hebben al verondersteld dat donkere energie bestond tijdens de eerste seconden na de oerknal en materie door de ruimte duwde, beginnen met de eerste uitbreiding. Donkere energie kan ook de reden zijn voor de versnelde uitdijing van het universum vandaag. De nieuwe theorie suggereert dat er niet lang na de oerknal een derde donkere energie-episode was, die het heelal sneller uitbreidde dan astronomen hadden voorspeld. Het bestaan ​​van deze "vroege donkere energie" zou de spanning tussen de twee Hubble-constanten kunnen verklaren, zei Riess.

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.

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

Maar de echte verklaring is nog steeds een mysterie.

Riess heeft geen antwoord op dit vervelende probleem, maar zijn team zal Hubble blijven gebruiken om de onzekerheden in de Hubble-constante te verminderen. Hun doel is om de onzekerheid te verminderen tot 1%, die astronomen zou moeten helpen de oorzaak van de discrepantie te identificeren.

De resultaten van het team zijn geaccepteerd voor publicatie in The Astrofysisch tijdschrift .