Gebruikmakend van de modernste technologieën en technieken, een team van astrofysici van Clemson University heeft een nieuwe benadering toegevoegd om een ​​van de meest fundamentele wetten van het universum te kwantificeren.

In een vrijdag gepubliceerde krant 8 november in Het astrofysische tijdschrift , Clemson-wetenschappers Marco Ajello, Abishek Desai, Lea Marcotulli en Dieter Hartmann hebben samengewerkt met zes andere wetenschappers over de hele wereld om een ​​nieuwe meting van de Hubble-constante te bedenken, de maateenheid die wordt gebruikt om de uitdijingssnelheid van het heelal te beschrijven.

"Kosmologie gaat over het begrijpen van de evolutie van ons universum - hoe het in het verleden is geëvolueerd, wat het nu doet en wat er in de toekomst gaat gebeuren, " zei Ajello, een universitair hoofddocent aan de faculteit natuurkunde en astronomie van het College of Science. "Onze kennis berust op een aantal parameters, waaronder de Hubble-constante, die we zo nauwkeurig mogelijk proberen te meten. In dit artikel wordt ons team analyseerde gegevens die waren verkregen van telescopen in een baan om de aarde en op de grond om tot een van de nieuwste metingen te komen van hoe snel het heelal uitdijt."

Het concept van een uitdijend heelal werd ontwikkeld door de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble (1889-1953), wie is de naamgenoot van de Hubble-ruimtetelescoop. In het begin van de 20e eeuw, Hubble was een van de eerste astronomen die concludeerde dat het universum uit meerdere sterrenstelsels bestond. Zijn daaropvolgende onderzoek leidde tot zijn meest bekende ontdekking:dat sterrenstelsels zich van elkaar af bewogen met een snelheid in verhouding tot hun afstand.

Hubble schatte oorspronkelijk de expansiesnelheid op 500 kilometer per seconde per megaparsec, met een megaparsec gelijk aan ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar. Hubble concludeerde dat een melkwegstelsel op twee megaparsec afstand van ons melkwegstelsel twee keer zo snel achteruitging als een melkwegstelsel dat slechts één megaparsec verwijderd was. Deze schatting werd bekend als de Hubble-constante, die voor het eerst bewees dat het heelal uitdijde. Astronomen hebben het sindsdien opnieuw gekalibreerd - met gemengde resultaten.

Met behulp van torenhoge technologieën, astronomen kwamen met metingen die aanzienlijk verschilden van de oorspronkelijke berekeningen van Hubble - waardoor de expansiesnelheid werd verlaagd tot tussen de 50 en 100 kilometer per seconde per megaparsec. En in het afgelopen decennium ultra-geavanceerde instrumenten, zoals de Planck-satelliet, hebben de nauwkeurigheid van de oorspronkelijke metingen van Hubble op relatief dramatische wijze vergroot.

In een artikel getiteld "Een nieuwe meting van de Hubble-constante en materie-inhoud van het heelal met behulp van extragalactische achtergrondlicht-gammastraalverzwakking, " het samenwerkende team vergeleek de nieuwste gammastralingsverzwakkingsgegevens van de Fermi Gamma-ray Space Telescope en Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes om hun schattingen te maken van extragalactische achtergrondlichtmodellen. Deze nieuwe strategie leidde tot een meting van ongeveer 67,5 kilometer per seconde per megaparsec .

Gammastraling is de meest energetische vorm van licht. Extragalactisch achtergrondlicht (EBL) is een kosmische mist die bestaat uit alle ultraviolette, zichtbaar en infrarood licht uitgezonden door sterren of door stof in hun omgeving. Wanneer gammastralen en EBL op elkaar inwerken, ze laten een waarneembare afdruk achter - een geleidelijk verlies van stroming - die de wetenschappers konden analyseren bij het formuleren van hun hypothese.

"De astronomische gemeenschap investeert een zeer grote hoeveelheid geld en middelen in het doen van precisiekosmologie met alle verschillende parameters, inclusief de Hubble-constante, " zei Dieter Hartmann, een professor in de natuurkunde en sterrenkunde. "Ons begrip van deze fundamentele constanten heeft het universum gedefinieerd zoals we het nu kennen. Wanneer ons begrip van wetten nauwkeuriger wordt, onze definitie van het universum wordt ook nauwkeuriger, wat leidt tot nieuwe inzichten en ontdekkingen."

Een veel voorkomende analogie van de uitdijing van het heelal is een ballon bezaaid met stippen, waarbij elke plek een sterrenstelsel vertegenwoordigt. Als de ballon is opgeblazen, de vlekken spreiden zich verder en verder uit elkaar.

"Sommigen theoretiseren dat de ballon zal uitzetten tot een bepaald punt in de tijd en dan weer zal instorten, " zei Desai, een afgestudeerde onderzoeksassistent bij de afdeling natuurkunde en sterrenkunde. "Maar de meest voorkomende overtuiging is dat het universum zal blijven uitdijen totdat alles zo ver uit elkaar is dat er geen waarneembaar licht meer zal zijn. Op dit punt, het universum zal een koude dood ondergaan. Maar dit is niets om ons zorgen over te maken. Als dit gebeurt, het zal biljoenen jaren zijn vanaf nu."

Maar als de ballonanalogie klopt, wat is het, precies, dat is de ballon opblazen?

"Materie - de sterren, de planeten, zelfs wij - is slechts een klein deel van de totale samenstelling van het universum, " legde Ajello uit. "Het overgrote deel van het universum bestaat uit donkere energie en donkere materie. En we geloven dat het donkere energie is die 'de ballon opblaast'. Donkere energie duwt dingen van elkaar weg. Zwaartekracht, die objecten naar elkaar toe trekt, is de sterkere kracht op lokaal niveau, dat is de reden waarom sommige sterrenstelsels blijven botsen. Maar op kosmische afstanden, donkere energie is de dominante kracht."

De andere bijdragende auteurs zijn hoofdauteur Alberto Dominguez van de Complutense Universiteit van Madrid; Radek Wojtak van de Universiteit van Kopenhagen; Justin Finke van het Naval Research Laboratory in Washington, gelijkstroom; Kari Helgason van de Universiteit van IJsland; Francisco Prada van het Instituto de Astrofisica de Andalucia; en Vaidehi Paliya, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in de groep van Ajello bij Clemson die nu bij Deutsches Elektronen-Synchrotron in Zeuthen werkt, Duitsland.

"Het is opmerkelijk dat we gammastraling gebruiken om kosmologie te bestuderen. Onze techniek stelt ons in staat om een ​​onafhankelijke strategie te gebruiken - een nieuwe methodologie die onafhankelijk is van bestaande - om cruciale eigenschappen van het universum te meten, " zei Dominguez, die ook een voormalig postdoctoraal onderzoeker is in de groep van Ajello. "Onze resultaten laten de volwassenheid zien die het relatief recente veld van hoogenergetische astrofysica in het afgelopen decennium heeft bereikt. De analyse die we hebben ontwikkeld, maakt de weg vrij voor betere metingen in de toekomst met behulp van de Cherenkov Telescope Array, die nog steeds in ontwikkeling is en de meest ambitieuze reeks van op de grond gebaseerde high-energy telescopen ooit zal zijn."

Veel van dezelfde technieken die in het huidige artikel worden gebruikt, komen overeen met eerder werk van Ajello en zijn collega's. Bij een eerder project die in het tijdschrift verscheen Wetenschap , Ajello en zijn team waren in staat om al het sterlicht te meten dat ooit in de geschiedenis van het universum is uitgestraald.

"Wat we weten is dat gammastraalfotonen van extragalactische bronnen in het universum naar de aarde reizen, waar ze kunnen worden geabsorbeerd door interactie met de fotonen van sterlicht, " Zei Ajello. "De snelheid van interactie hangt af van de lengte die ze in het universum reizen. En de lengte die ze afleggen, hangt af van de uitzetting. Als de expansie laag is, ze reizen een kleine afstand. Als de uitbreiding groot is, ze reizen een zeer grote afstand. De hoeveelheid absorptie die we hebben gemeten, was dus sterk afhankelijk van de waarde van de Hubble-constante. Wat we deden was dit omdraaien en het gebruiken om de uitdijingssnelheid van het universum te beperken."