På 1920-talet gjorde Edwin Hubble den banbrytande uppenbarelsen att universum var i ett expansionsläge. Ursprungligen förutspådd som en följd av Einsteins teori om allmän relativitet, ledde denna bekräftelse till det som blev känt som Hubbles konstant. Under de säkra årtiondena och tack vare utbyggnaden av nästa generations teleskop - som det riktigt kallade Hubble Space Telescope (HST) - har forskare tvingats revidera denna lag.
Kort sagt, under de senaste decennierna har förmågan att se längre ut i rymden (och djupare i tiden) gjort det möjligt för astronomer att göra mer exakta mätningar om hur snabbt det tidiga universum expanderade. Och tack vare en ny undersökning utförd med Hubble har ett internationellt team av astronomer kunnat utföra de mest exakta mätningarna av universums expansionsgrad hittills.
Denna undersökning genomfördes av teamet Supernova H0 för Equation of State (SH0ES), en internationell grupp astronomer som har varit på jakt för att förfina noggrannheten i Hubble Constant sedan 2005. Gruppen leds av Adam Reiss från rymden Telescope Science Institute (STScI) och Johns Hopkins University, och inkluderar medlemmar från American Museum of Natural History, Neils Bohr Institute, National Optical Astronomy Observatory och många prestigefyllda universitet och forskningsinstitutioner.
Studien som beskriver deras resultat nyligen dök upp i The Astrophysical Journal under titeln ”Typ Ia Supernova Distances at Redshift> 1,5 från Hubble rymdteleskop Multicyklus Treasury Program: The Early Expansion Rate “. För studiens skull och i överensstämmelse med deras långsiktiga mål, försökte teamet att bygga en ny och mer exakt "distansstege".
Detta verktyg är hur astronomer traditionellt har uppmätt avstånd i universum, som består av att förlita sig på avståndsmarkörer som Cepheid-variabler - pulserande stjärnor vars avstånd kan uttalas genom att jämföra sin egen ljusstyrka med deras uppenbara ljusstyrka. Dessa mätningar jämförs sedan med hur ljuset från avståndsgalaxerna omförskjuts för att bestämma hur snabbt utrymmet mellan galaxerna expanderar.
Från detta härleds Hubble-konstanten. För att bygga sin avlägsna stege utförde Riess och hans team parallaxmätningar med Hubbles Wide Field Camera 3 (WFC3) av åtta nyanalyserade Cepheid-variabla stjärnor i Vintergatan. Dessa stjärnor är ungefär 10 gånger längre bort än någon som tidigare studerats - mellan 6 000 och 12 000 ljusår från jorden - och pulserar med längre intervaller.
För att säkerställa noggrannhet som skulle kunna stå för dessa stjärnas slingr, utvecklade teamet också en ny metod där Hubble skulle mäta en stjärns position tusen gånger per minut var sjätte månad i fyra år. Teamet jämförde sedan ljusstyrkan hos dessa åtta stjärnor med mer avlägsna Cepheider för att säkerställa att de kunde beräkna avståndet till andra galaxer med mer precision.
Med hjälp av den nya tekniken kunde Hubble fånga förändringarna i positionerna hos dessa stjärnor i förhållande till andra, vilket förenklade saker oerhört. Som Riess förklarade i ett pressmeddelande från NASA:
”Denna metod möjliggör upprepade möjligheter att mäta de extremt små förskjutningarna på grund av parallax. Du mäter separationen mellan två stjärnor, inte bara på ett ställe på kameran, utan om och över tusentals gånger, vilket minskar fel i mätningen. "
Jämfört med tidigare undersökningar kunde teamet utvidga antalet stjärnor analyserade till avstånd upp till tio gånger längre. Men deras resultat stod också i motsats till dem som erhållits av European Space Agency (ESA) Planck-satellit, som har mätt Cosmic Mikrovågsbakgrund (CMB) - reststrålningen som skapades av Big Bang - sedan den sändes ut 2009.
Genom att kartlägga CMB har Planck kunnat spåra expansionen av kosmos under det tidiga universumet. 378 000 år efter Big Bang. Plancks resultat förutspådde att Hubble-konstantvärdet nu borde vara 67 kilometer per sekund per megaparsek (3,3 miljoner ljusår) och kunde inte vara högre än 69 kilometer per sekund per megaparsek.
Baserat på deras sruvey fick Riess team ett värde på 73 kilometer per sekund per megaparsek, en skillnad på 9%. I huvudsak indikerar deras resultat att galaxer rör sig i en snabbare takt än vad som antyds av observationer från det tidiga universum. Eftersom Hubble-uppgifterna var så exakta, kan astronomer inte avfärda klyftan mellan de två resultaten som fel i någon enda mätning eller metod. Som Reiss förklarade:
”Gemenskapen kämpar verkligen med att förstå innebörden av denna avvikelse ... Båda resultaten har testats på flera sätt, så att en rad obesläktade misstag hindras. det är allt mer troligt att detta inte är ett fel utan en funktion i universum. "
Dessa senaste resultat antyder därför att någon tidigare okänd kraft eller någon ny fysik kan vara på plats i universum. När det gäller förklaringar har Reiss och hans team erbjudit tre möjligheter, som alla har att göra med de 95% av universum som vi inte kan se (dvs. mörk materia och mörk energi). 2011 fick Reiss och två andra forskare Nobelpriset i fysik för deras upptäckt från 1998 att universum befann sig i en snabbare expansion.
I överensstämmelse med det föreslår de att Dark Energy skulle kunna skjuta isär galaxer med ökande styrka. En annan möjlighet är att det finns en oupptäckt subatomär partikel där ute som liknar en neutrino, men interagerar med normal materie genom tyngdkraft istället för subatomära krafter. Dessa ”sterila neutrinoer” skulle resa nära ljusets hastighet och kan tillsammans kallas ”mörk strålning”.
Någon av dessa möjligheter skulle innebära att innehållet i det tidiga universum var annorlunda, vilket tvingade en omprövning av våra kosmologiska modeller. För närvarande har Riess och kollegor inga svar, men planerar att fortsätta finjustera sina mätningar. Hittills har SHoES-teamet minskat osäkerheten i Hubble Constant till 2,3%.
Detta är i överensstämmelse med ett av de centrala målen för Hubble Space Telescope, som var att hjälpa till att minska osäkerhetsvärdet i Hubble's Constant, för vilket uppskattningarna en gång varierade med en faktor 2.
Så medan detta avvikelse öppnar dörren till nya och utmanande frågor, minskar det också vår osäkerhet avsevärt när det gäller att mäta universum. I slutändan kommer detta att förbättra vår förståelse för hur universum utvecklades efter det skapades i en brinnande katastrof för 13,8 miljarder år sedan.
