Bepalen hoe snel het universum uitdijt, is de sleutel tot het begrijpen van ons kosmische lot, maar met preciezere gegevens is een raadsel gekomen:schattingen op basis van metingen binnen ons lokale universum komen niet overeen met extrapolaties uit het tijdperk kort na de oerknal 13,8 miljard jaar geleden.

Een nieuwe schatting van de lokale expansiesnelheid - de Hubble-constante, of H0 (H-nul)—versterkt die discrepantie.

Met behulp van een relatief nieuwe en mogelijk nauwkeuriger techniek voor het meten van kosmische afstanden, die de gemiddelde stellaire helderheid binnen gigantische elliptische sterrenstelsels als een sport op de afstandsladder gebruikt, astronomen berekenen een snelheid - 73,3 kilometer per seconde per megaparsec, geef of neem 2,5 km/sec/Mpc - dat ligt in het midden van drie andere goede schattingen, inclusief de schatting van de gouden standaard van Type Ia-supernova's. Dit betekent dat voor elke megaparsec - 3,3 miljoen lichtjaar, of 3 miljard biljoen kilometer - van de aarde, het heelal breidt zich nog eens 73,3 ±2,5 kilometer per seconde uit. Het gemiddelde van de drie andere technieken is 73,5 ±1,4 km/sec/Mpc.

Verbijsterend, schattingen van de lokale expansiesnelheid op basis van gemeten fluctuaties in de kosmische microgolfachtergrond en, onafhankelijk, fluctuaties in de dichtheid van normale materie in het vroege heelal (baryon akoestische oscillaties), geef een heel ander antwoord:67,4 ±0,5 km/sec/Mpc.

Astronomen maken zich begrijpelijkerwijs zorgen over deze mismatch, omdat de uitdijingssnelheid een cruciale parameter is voor het begrijpen van de fysica en evolutie van het universum en de sleutel is tot het begrijpen van donkere energie - die de uitdijingssnelheid van het universum versnelt en er dus voor zorgt dat de Hubble-constante sneller verandert dan verwacht met toenemende afstand van Aarde. Donkere energie omvat ongeveer tweederde van de massa en energie in het universum, maar is nog steeds een mysterie.

Voor de nieuwe schatting astronomen hebben fluctuaties in de oppervlaktehelderheid van 63 gigantische elliptische sterrenstelsels gemeten om de afstand te bepalen en de afstand uitgezet tegen de snelheid voor elk om H0 te verkrijgen. De oppervlaktehelderheidsfluctuatie (SBF)-techniek is onafhankelijk van andere technieken en heeft het potentieel om nauwkeuriger afstandsschattingen te geven dan andere methoden binnen ongeveer 100 Mpc van de aarde, of 330 miljoen lichtjaar. De 63 sterrenstelsels in het monster bevinden zich op afstanden van 15 tot 99 Mpc, terugkijken in de tijd, slechts een fractie van de leeftijd van het heelal.

"Voor het meten van afstanden tot sterrenstelsels tot 100 megaparsecs, dit is een fantastische methode, " zei kosmoloog Chung-Pei Ma, de Judy Chandler Webb Professor in de Exacte Wetenschappen aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en hoogleraar sterrenkunde en natuurkunde. "Dit is het eerste papier dat een grote, homogene reeks gegevens, op 63 sterrenstelsels, voor het doel om H-naught te bestuderen met behulp van de SBF-methode."

Ma leidt het MASSIVE onderzoek van lokale sterrenstelsels, die gegevens opleverde voor 43 van de sterrenstelsels - tweederde van degenen die in de nieuwe analyse werden gebruikt.

De gegevens over deze 63 sterrenstelsels zijn verzameld en geanalyseerd door John Blakeslee, een astronoom bij het NOIRLab van de National Science Foundation. Hij is de eerste auteur van een artikel dat nu is geaccepteerd voor publicatie in Het astrofysische tijdschrift dat hij samen met collega Joseph Jensen van de Utah Valley University in Orem schreef. Blakeslee, die aan het hoofd staat van de wetenschappelijke staf die de optische en infrarood-observatoria van NSF ondersteunt, is een pionier in het gebruik van SBF om afstanden tot sterrenstelsels te meten, en Jensen was een van de eersten die de methode toepaste op infrarode golflengten. De twee werkten nauw samen met Ma aan de analyse.

"Het hele verhaal van de astronomie is, in zekere zin, de poging om de absolute schaal van het universum te begrijpen, die ons dan vertelt over de fysica, ' zei Blakeslee, teruggrijpen naar James Cook's reis naar Tahiti in 1769 om een ​​Venusovergang te meten, zodat wetenschappers de ware grootte van het zonnestelsel konden berekenen. "De SBF-methode is breder toepasbaar op de algemene populatie van geëvolueerde sterrenstelsels in het lokale universum, en zeker als we genoeg sterrenstelsels krijgen met de James Webb Space Telescope, deze methode heeft het potentieel om de beste lokale meting van de Hubble-constante te geven."

De James Webb-ruimtetelescoop, 100 keer krachtiger dan de Hubble-ruimtetelescoop, staat gepland voor lancering in oktober.

Reusachtige elliptische sterrenstelsels

De Hubble-constante is al tientallen jaren een twistpunt, sinds Edwin Hubble voor het eerst de lokale expansiesnelheid heeft gemeten en met een zeven keer te groot antwoord kwam, wat impliceert dat het universum eigenlijk jonger was dan zijn oudste sterren. Het probleem, toen en nu, ligt in het vastpinnen van de locatie van objecten in de ruimte die weinig aanwijzingen geven over hoe ver weg ze zijn.

Astronomen zijn door de jaren heen opgeklommen naar grotere afstanden, te beginnen met het berekenen van de afstand tot objecten die zo dichtbij zijn dat ze een beetje lijken te bewegen, vanwege parallax, zoals de aarde om de zon draait. Variabele sterren genaamd Cepheïden brengen je verder, omdat hun helderheid is gekoppeld aan hun periode van variabiliteit, en Type Ia supernova's brengen je nog verder, omdat het extreem krachtige explosies zijn die, op hun hoogtepunt, schijnen zo helder als een heel sterrenstelsel. Voor zowel Cepheïden als Type Ia supernova's, het is mogelijk om de absolute helderheid te achterhalen aan de hand van de manier waarop ze in de loop van de tijd veranderen, en dan kan de afstand worden berekend op basis van hun schijnbare helderheid zoals gezien vanaf de aarde.

De beste huidige schatting van H0 komt van afstanden bepaald door Type Ia supernova-explosies in verre sterrenstelsels, hoewel nieuwere methoden - tijdvertragingen veroorzaakt door zwaartekrachtlensing van verre quasars en de helderheid van watermasers die rond zwarte gaten draaien - allemaal ongeveer hetzelfde aantal opleveren.

De techniek die gebruikmaakt van fluctuaties in oppervlaktehelderheid is een van de nieuwste en is gebaseerd op het feit dat gigantische elliptische sterrenstelsels oud zijn en een consistente populatie van oude sterren hebben - meestal rode reuzensterren - die kunnen worden gemodelleerd om een ​​gemiddelde infraroodhelderheid over hun oppervlak te geven. De onderzoekers verkregen infraroodbeelden met hoge resolutie van elk sterrenstelsel met de Wide Field Camera 3 op de Hubble-ruimtetelescoop en bepaalden hoeveel elke pixel in het beeld afweek van het "gemiddelde" - hoe vloeiender de fluctuaties over het hele beeld, hoe verder de melkweg, zodra correcties zijn aangebracht voor onvolkomenheden zoals heldere stervormingsgebieden, die de auteurs uitsluiten van de analyse.

Noch Blakeslee, noch Ma was verrast dat de uitzettingssnelheid in de buurt kwam van die van de andere lokale metingen. Maar ze zijn evenzeer verward door het flagrante conflict met schattingen uit het vroege heelal - een conflict dat volgens veel astronomen betekent dat onze huidige kosmologische theorieën verkeerd zijn, of in ieder geval onvolledig.

De extrapolaties van het vroege heelal zijn gebaseerd op de eenvoudigste kosmologische theorie - lambda koude donkere materie genaamd, of ΛCDM — dat slechts een paar parameters gebruikt om de evolutie van het universum te beschrijven. Brengt de nieuwe schatting een staak in het hart van ΛCDM?

"Ik denk dat het die inzet wat meer naar voren duwt, " zei Blakeslee. "Maar het (ΛCDM) leeft nog. Sommige mensen denken, met betrekking tot al deze lokale metingen, (dat) de waarnemers het bij het verkeerde eind hebben. Maar het wordt steeds moeilijker om die bewering te doen - er zouden systematische fouten in dezelfde richting moeten zijn voor verschillende methoden:supernovae, SBF, zwaartekracht lensing, water masers. Dus, naarmate we meer onafhankelijke metingen krijgen, die inzet gaat een beetje dieper."

Ma vraagt ​​zich af of de onzekerheden die astronomen aan hun metingen toeschrijven, die zowel systematische fouten als statistische fouten weerspiegelen, zijn te optimistisch, en dat de twee schattingsbereiken misschien nog met elkaar in overeenstemming kunnen worden gebracht.

"De jury is uit, ' zei ze. 'Ik denk dat het echt in de foutbalken zit. Maar ervan uitgaande dat ieders foutbalken niet worden onderschat, de spanning wordt ongemakkelijk."

In feite, een van de reuzen van het veld, astronoom Wendy Freedman, publiceerde onlangs een studie die de Hubble-constante vastlegde op 69,8 ± 1,9 km/sec/Mpc, het water nog verder deinen. Het laatste resultaat van Adam Riess, een astronoom die in 2011 de Nobelprijs voor Natuurkunde deelde voor het ontdekken van donkere energie, meldt 73,2 ± 1,3 km/sec/Mpc. Riess was een Miller Postdoctoral Fellow aan UC Berkeley toen hij dit onderzoek uitvoerde, en hij deelde de prijs met UC Berkeley en Berkeley Lab-natuurkundige Saul Perlmutter.

MASSIEVE sterrenstelsels

De nieuwe waarde van H0 is een bijproduct van twee andere onderzoeken van nabije sterrenstelsels, in het bijzonder Ma's MASSIEVE enquête, die ruimte- en grondtelescopen gebruikt om de 100 meest massieve sterrenstelsels binnen ongeveer 100 Mpc van de aarde uitputtend te bestuderen. Een belangrijk doel is om de superzware zwarte gaten in de centra van elk te wegen.

Om dat te doen, nauwkeurige afstanden nodig zijn, en de SBF-methode is de beste tot nu toe, ze zei. Het MASSIVE onderzoeksteam gebruikte deze methode vorig jaar om de afstand tot een gigantisch elliptisch sterrenstelsel te bepalen, NGC 1453, in het zuidelijke sterrenbeeld Eridanus. Door die afstand te combineren, 166 miljoen lichtjaar, met uitgebreide spectroscopische gegevens van de Gemini- en McDonald-telescopen - waarmee Ma's afgestudeerde studenten Chris Liepold en Matthew Quenneville de snelheden van de sterren nabij het centrum van de melkweg konden meten - concludeerden ze dat NGC 1453 een centraal zwart gat heeft met een massa van bijna 3 miljard keer die van de zon.

Om H0 te bepalen, Blakeslee berekende SBF-afstanden tot 43 van de sterrenstelsels in het MASSIVE-onderzoek, gebaseerd op 45 tot 90 minuten HST-waarnemingstijd voor elk sterrenstelsel. De andere 20 kwamen van een ander onderzoek waarbij HST werd gebruikt om grote sterrenstelsels in beeld te brengen, specifiek die waarin Type Ia supernova's zijn gedetecteerd.

De meeste van de 63 sterrenstelsels zijn tussen de 8 en 12 miljard jaar oud, wat betekent dat ze een grote populatie oude rode sterren bevatten, die essentieel zijn voor de SBF-methode en ook kunnen worden gebruikt om de precisie van afstandsberekeningen te verbeteren. In de krant, Blakeslee gebruikte zowel veranderlijke Cepheïden als een techniek die gebruikmaakt van de helderste rode reuzensterren in een melkwegstelsel, ook wel de punt van de rode reuzentak genoemd. of TRGB-techniek - om op te klimmen naar sterrenstelsels op grote afstanden. Ze produceerden consistente resultaten. De TRGB-techniek houdt rekening met het feit dat de helderste rode reuzen in sterrenstelsels ongeveer dezelfde absolute helderheid hebben.

"Het doel is om deze SBF-methode volledig onafhankelijk te maken van de Cepheïde-gekalibreerde Type Ia-supernovamethode door de James Webb Space Telescope te gebruiken om een ​​rode reuzentakkalibratie voor SBF's te krijgen, " hij zei.

"De James Webb-telescoop heeft het potentieel om de foutbalken voor SBF echt te verminderen, "Ma voegde eraan toe. Maar voor nu, de twee tegenstrijdige maten van de Hubble-constante zullen met elkaar moeten leren leven.

"Ik was niet van plan om H0 te meten; het was een geweldig product van ons onderzoek, "zei ze. "Maar ik ben een kosmoloog en bekijk dit met grote interesse."