In de jaren twintig deed Edwin Hubble de baanbrekende openbaring dat het heelal in een staat van expansie verkeerde. Oorspronkelijk voorspeld als een gevolg van Einsteins Theorie van Algemene Relativiteit, leidde deze bevestiging tot wat bekend werd als Hubble's Constant. In de zorg voor decennia, en dankzij de inzet van telescopen van de volgende generatie - zoals de toepasselijk genaamde Hubble Space Telescope (HST) - zijn wetenschappers gedwongen deze wet te herzien.
Kortom, in de afgelopen decennia hebben astronomen de mogelijkheid om verder in de ruimte (en dieper in de tijd) te kijken, nauwkeuriger metingen kunnen doen over hoe snel het vroege heelal zich uitbreidde. En dankzij een nieuwe enquête die met Hubble is uitgevoerd, heeft een internationaal team van astronomen tot nu toe de meest nauwkeurige metingen van de expansiesnelheid van het heelal kunnen uitvoeren.
Dit onderzoek werd uitgevoerd door het Supernova H0 for the Equation of State (SH0ES) -team, een internationale groep astronomen die sinds 2005 op zoek is naar het verfijnen van de nauwkeurigheid van de Hubble-constante. De groep wordt geleid door Adam Reiss van de ruimte Telescope Science Institute (STScI) en Johns Hopkins University, en bestaat uit leden van het American Museum of Natural History, het Neils Bohr Institute, het National Optical Astronomy Observatory en vele prestigieuze universiteiten en onderzoeksinstellingen.
De studie die hun bevindingen beschrijft, verscheen onlangs in The Astrophysical Journal onder de titel "Type Ia Supernova-afstanden bij roodverschuiving> 1,5 van de Hubble-ruimtetelescoop Meercyclus-treasury-programma's: de snelheid van vroegtijdige uitbreiding “ Omwille van hun studie en in overeenstemming met hun langetermijndoelen, probeerde het team een nieuwe en nauwkeurigere 'afstandsladder' te construeren.
Deze tool is hoe astronomen traditioneel afstanden in het heelal hebben gemeten, die bestaan uit het vertrouwen op afstandsmarkeringen zoals Cepheid-variabelen - pulserende sterren waarvan de afstanden kunnen worden afgeleid door hun intrinsieke helderheid te vergelijken met hun schijnbare helderheid. Deze metingen worden vervolgens vergeleken met de manier waarop licht van sterrenstelsels op afstand rood wordt verschoven om te bepalen hoe snel de ruimte tussen sterrenstelsels toeneemt.
Hieruit is de Hubble Constant afgeleid. Om hun verre ladder te bouwen, voerden Riess en zijn team parallaxmetingen uit met behulp van Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3) van acht nieuw geanalyseerde Cepheid-variabele sterren in de Melkweg. Deze sterren zijn ongeveer 10 keer verder verwijderd dan ooit eerder bestudeerd - tussen 6.000 en 12.000 lichtjaar van de aarde - en pulseren met langere tussenpozen.
Om de nauwkeurigheid te garanderen die verantwoordelijk is voor de golfbewegingen van deze sterren, heeft het team ook een nieuwe methode ontwikkeld waarbij Hubble gedurende vier jaar elke zes maanden duizend keer per minuut de positie van een ster meet. Het team vergeleek vervolgens de helderheid van deze acht sterren met verder weg gelegen Cepheids om er zeker van te zijn dat ze de afstanden tot andere sterrenstelsels nauwkeuriger konden berekenen.
Met behulp van de nieuwe techniek kon Hubble de verandering in positie van deze sterren ten opzichte van andere vastleggen, wat de zaken enorm vereenvoudigde. Zoals Riess uitlegde in een NASA-persbericht:
“Deze methode biedt herhaalde mogelijkheden om de extreem kleine verplaatsingen als gevolg van parallax te meten. Je meet de afstand tussen twee sterren, niet alleen op één plek op de camera, maar duizenden keren, waardoor de meetfouten worden verminderd. "
Vergeleken met eerdere onderzoeken kon het team het aantal geanalyseerde sterren tot 10 keer verder uitbreiden. Hun resultaten waren echter ook in tegenspraak met die van de Planck-satelliet van de European Space Agency (ESA), die de kosmische microgolfachtergrond (CMB) meet - de overgebleven straling die door de oerknal wordt gecreëerd - sinds de uitrol in 2009.
Door de CMB in kaart te brengen, heeft Planck de uitbreiding van de kosmos tijdens het vroege heelal - circa. 378.000 jaar na de oerknal. Het resultaat van Planck voorspelde dat de constante waarde van Hubble nu 67 kilometer per seconde per megaparsec (3,3 miljoen lichtjaar) zou zijn en niet hoger zou kunnen zijn dan 69 kilometer per seconde per megaparsec.
Op basis van hun onderzoek behaalde het team van Riess een waarde van 73 kilometer per seconde per megaparsec, een verschil van 9%. In wezen geven hun resultaten aan dat sterrenstelsels sneller bewegen dan wat wordt gesuggereerd door waarnemingen van het vroege heelal. Omdat de Hubble-gegevens zo nauwkeurig waren, kunnen astronomen de kloof tussen de twee resultaten niet afdoen als fouten in een enkele meting of methode. Zoals Reiss uitlegde:
“De gemeenschap worstelt echt met het begrijpen van de betekenis van deze discrepantie… Beide resultaten zijn op meerdere manieren getest, dus behoudens een reeks niet-gerelateerde fouten. het wordt steeds waarschijnlijker dat dit geen bug is, maar een kenmerk van het universum. ”
Deze laatste resultaten suggereren daarom dat een tot nu toe onbekende kracht of een nieuwe fysica mogelijk aan het werk is in het heelal. In termen van uitleg hebben Reiss en zijn team drie mogelijkheden geboden, die allemaal te maken hebben met de 95% van het universum die we niet kunnen zien (dat wil zeggen donkere materie en donkere energie). In 2011 ontvingen Reiss en twee andere wetenschappers de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun ontdekking in 1998 dat het heelal in een versneld tempo groeide.
In overeenstemming daarmee suggereren ze dat Dark Energy sterrenstelsels met toenemende kracht uit elkaar zou kunnen duwen. Een andere mogelijkheid is dat er een onontdekt subatomair deeltje is dat lijkt op een neutrino, maar in wisselwerking staat met normale materie door zwaartekracht in plaats van met subatomaire krachten. Deze 'steriele neutrino's' zouden met de snelheid van het licht reizen en zouden gezamenlijk bekend kunnen staan als 'donkere straling'.
Elk van deze mogelijkheden zou betekenen dat de inhoud van het vroege heelal anders was, waardoor we onze kosmologische modellen moesten heroverwegen. Op dit moment hebben Riess en collega's geen antwoorden, maar zijn van plan hun metingen verder te verfijnen. Tot nu toe heeft het SHoES-team de onzekerheid van de Hubble Constant verlaagd tot 2,3%.
Dit past in een van de centrale doelen van de Hubble-ruimtetelescoop, namelijk het helpen verminderen van de onzekerheidswaarde in Hubble's Constant, waarvoor schattingen ooit varieerden met een factor 2.
Dus hoewel deze discrepantie de deur opent voor nieuwe en uitdagende vragen, vermindert het ook onze onzekerheid aanzienlijk als het gaat om het meten van het universum. Uiteindelijk zal dit ons begrip verbeteren van hoe het universum evolueerde nadat het 13,8 miljard jaar geleden in een vurige catastrofe was ontstaan.
