Hur snabbt expanderar universum? Det är en fråga som astronomer inte har kunnat svara exakt. De har ett namn på universums expansionsgrad: Hubble Constant, eller Hubbles lag. Men mätningar fortsätter med olika värden, och astronomer har diskuterat fram och tillbaka om denna fråga i decennier.
Den grundläggande tanken bakom att mäta Hubble Constant är att titta på avlägsna ljuskällor, vanligtvis en typ av supernovaer eller variabla stjärnor som kallas 'standardljus' och att mäta deras röda skift. Men oavsett hur astronomer gör det, kan de inte komma med ett överenskomnat värde, bara ett antal värden. En ny studie som involverar kvasarer och gravitationslinser kan hjälpa till att lösa problemet.
Att universum expanderar ifrågasätts inte. Vi har känt detta i cirka 100 år. Ljuset från avlägsna galaxer rödförskjuts när de rör sig bort från oss, och att mäta den röda växlingen har skapat olika värden för universalutvidgning.
"Hubble-konstanten förankrar universums fysiska skala."
Simon Birrer, UCLA postdoktor och huvudförfattare till studien.
Expansionstakten mäts i kilometer per sekund per Megaparsec, skriven som (km / s) / Mpc. Så till exempel, något som expanderar med en hastighet av 10 (km / s) / Mpc betyder att två punkter i rymden 1 megaparsek från varandra (motsvarande 3,26 miljoner ljusår) springer bort från varandra med en hastighet på 10 kilometer per andra.
När den först upptäcktes på 1920-talet ansågs expansionshastigheten vara 625 kps / Mpc. Men från 1950-talet mätte bättre forskning det som mindre än 100 kps / Mpc. Under de senaste decennierna har flera studier uppmätt expansionshastigheten och har uppnått hastigheter mellan cirka 67 till 77 kps / Mpc.
Men vetenskapen accepterar inte en mängd svar för något som borde ha ett värde. Det skulle inte vara vetenskap om det gjorde det. Så forskare fortsätter att testa olika sätt att mäta Hubble-konstanten för att se om de kan få det rätt, eftersom Hubble-konstanten är mer än bara ett mått på universums expansion.
"Hubble konstant förankrar universums fysiska skala," säger Simon Birrer, en UCLA postdoktor och huvudförfattare till studien. Utan ett exakt värde för Hubble-konstanten kan astronomer inte exakt bestämma storleken på avlägsna galaxer, universumets ålder eller kosmosens expansionshistoria. Så att få det rätt är en stor sak.
En ny studie som just publicerades i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society försöker en ny metod för att mäta Hubble Constant. Forskningen leds av ett team av astronomer vid UCLA och förlitar sig på avlägsna kvasarer vars ljus genomgår gravitationslinsning innan den når jorden.
Kvasarer är extremt ljusa objekt. De kallas också aktiva galaktiska kärnor, eftersom de tros orsakas av supermassiva svarta hål i centrum av galaxerna. Den elektromagnetiska strålningen som de avger orsakas av den virvlande tillslutningsskivan runt det svarta hålet. När materiens skiva runt hålet påskyndas avger den en enorm mängd energi.
Eftersom kvasarer är så lysande kan de ses från stora avstånd. Detta gör dem inte bara fascinerande studieobjekt, utan också användbara som markörer för att studera Hubble's Law.
Gravitationslinsning inträffar när ljuskällan från ett extremt avlägset objekt, kvasarer i denna studie, möter en mellanliggande galax innan den når observatörer på jorden. Galaxens extrema massa är tillräcklig för att böja ljuset, liknande det som en glaslins gör. Resultatet är ett slags "spegelhus" -effekt. Bilden nedan visar hur det ser ut. Upptäckten av gravitationslinser är mest förknippad med Einstein, men det var först 1979 som det observerades.
Denna studie fokuserade på dubbla kvasarer. En dubbel kvasar, ibland kallad en tvillingkvasar, är inte två kvasarer nära varandra, utan snarare en effekt av gravitationslinsning. Med en dubbel kvasar linsas deras ljus runt en mellanliggande galax innan de når jorden och producerar två bilder av kvasaren. Ingen tidigare studie har använt dem för att försöka bestämma universums expansionshastighet.
När ljuset från kvasaren böjs runt den mellanliggande galaxen och producerar två bilder av samma kvasar, skapar det en unik observationsmöjlighet. Ljuset som skapar de separata bilderna på kvasaren reser en annan väg till varje bild. När ljuset från kvasaren fluktuerar finns det en fördröjning mellan flimmern i var och en av de två bilderna.
Genom att mäta tidsfördröjningen mellan flimrarna och genom att känna till den mellanliggande galaxens massa, drog teamet avståndet mellan Jorden, linsegalaxen och kvasaren. Genom att känna till kvasars och galaxens rödförskjutningar gjorde forskarna möjlighet att uppskatta hur snabbt universum expanderar.
Denna studie fokuserade på den dubbla kvasaren, SDSS J1206 + 4332, och förlitade sig också på data från Hubble Space Telescope, Gemini och W.M. Keck-observatorier och från Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, eller COSMOGRAIL, nätverk. Teamet tillbringade flera år på att dagligen ta bilder av den dubbla kvasaren, vilket gav dem mycket exakta mätningar av tidsfördröjningen mellan flimmer. I kombination med andra data gav astronomer en av de bästa mätningarna av Hubble Constant än.
"Det fina med denna mätning är att den är mycket kompletterande och oberoende av andra," sade Tommasso Treu, UCLA-professor i fysik och astronomi och tidningens seniorförfattare.
Så hur snabbt expanderar det?
”... universum är lite mer komplicerat.
Tommasso Treu, UCLA-professor i fysik och astronomi.
Teamet fick ett värde för Hubble Constant på 72,5 kilometer per sekund per megaparsek. Detta stämmer överens med andra mätningar som använde avlägsna supernovaer som standardljus för att mäta Hubble-konstanten. Men det är ungefär 7% högre än mätningar som är beroende av den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden för att mäta den.
Detta är inte slutet på debatten om Hubble's Law. Det finns fortfarande den irriterande skillnaden mellan mätmetoderna. Vad betyder det? "Om det finns en faktisk skillnad mellan dessa värden, betyder det att universum är lite mer komplicerat," sa Treu. Treu sa också att en av mätningarna, eller till och med alla tre, är fel.
Teamet kommer att fortsätta med sin mätmetod med kvasarlinser. De tittar på 40 fyrdubbla kvasarer för att förhoppningsvis ge dem en ännu mer exakt mätning av universums expansionshastighet.
Källor:
- Forskningsdokument: H0LiCOW - IX. Kosmografisk analys av den dubbelt avbildade kvasaren SDSS 1206 + 4332 och en ny mätning av Hubble-konstanten
- UCLA: s pressmeddelande: Att se dubbel kan hjälpa till att lösa tvisten om hur snabbt universum expanderar
- H0LiCOW
- Wikipedia Entry: Hubble's Law
