Namnet "mörk energi" är bara en platshållare för kraften - oavsett vad den är - som får universum att expandera. Nya observationer av flera Cepheid-variabla stjärnor med Hubble Space Telescope har förfinat mätningen av universumets nuvarande expansionsgrad till en precision där felet är mindre än fem procent. Det nya värdet för expansionshastigheten, känd som Hubble-konstanten, eller H0 (efter Edwin Hubble som först mätte universums expansion för nästan ett sekel sedan), är 74,2 kilometer per sekund per megaparsek (felmarginal på ± 3,6). Resultaten överensstämmer nära med en tidigare mätning från Hubble på 72 ± 8 km / sek / megaparsek, men är nu mer än dubbelt så exakt.
Hubble-mätningen, utförd av SHOES-teamet (Supernova H0 för Equation of State) -gruppen och leds av Adam Riess, från Space Telescope Science Institute och Johns Hopkins University, använder ett antal förbättringar för att effektivisera och stärka byggandet av en kosmisk "Avståndsstege", en miljard ljusår lång, som astronomer använder för att bestämma universums expansionshastighet.
Hubble-observationer av de pulserande Cepheid-variablerna i en närliggande kosmisk milmarkör, galaxen NGC 4258, och i värdgalaxerna för de senaste supernovorna, kopplar direkt dessa avståndsindikatorer. Användningen av Hubble för att överbrygga dessa rullar i stegen eliminerade de systematiska fel som nästan oundvikligt införs genom att jämföra mätningar från olika teleskop.
Riess förklarar den nya tekniken: ”Det är som att mäta en byggnad med ett långt måttband istället för att flytta en gårdsstång ände. Du undviker att sammansätta de små fel du gör varje gång du flyttar måttstocken. Ju högre byggnad, desto större är felet. ”
Lucas Macri, professor i fysik och astronomi vid Texas A&M, och en betydande bidragsgivare till resultaten, sade: ”Cepheids är ryggraden i distansstegen eftersom deras pulsationsperioder, som lätt kan observeras, korrelerar direkt med deras ljusstyrka. En annan förfining av vår stege är det faktum att vi har observerat Cepheiderna i de nära infraröda delarna av det elektromagnetiska spektrumet där dessa variabla stjärnor är bättre avståndsindikatorer än vid optiska våglängder. ”
Detta nya, mer exakta värde på Hubble-konstanten användes för att testa och begränsa egenskaperna hos mörk energi, den form av energi som producerar en avvisande kraft i rymden, vilket gör att universumets expansionshastighet accelererar.
Genom att fäste universums expansionshistoria mellan idag och när universum bara var ungefär 380 000 år gamla kunde astronomerna sätta gränser för naturen hos den mörka energin som får expansionen att påskyndas. (Mätningen för det avlägsna, tidiga universum härrör från fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, som löstes av NASA: s Wilkinson Microbynnysropropsonden, WMAP, 2003.)
Deras resultat överensstämmer med den enklaste tolkningen av mörk energi: att den är matematiskt ekvivalent med Albert Einsteins hypotesiserade kosmologiska konstant, infört för ett sekel sedan för att pressa på rymdens tyg och förhindra att universum kollapsar under tyngdkraften. (Einstein tog dock bort konstanten när universums expansion exponerades av Edwin Hubble.)
"Om du lägger i en låda alla sätt som mörk energi kan skilja sig från den kosmologiska konstanten, skulle den rutan nu vara tre gånger mindre," säger Riess. "Det är framsteg, men vi har fortfarande en lång väg att gå ner i den mörka energin."
Även om den kosmologiska konstanten var tänkt av för länge sedan, observerades bevis för mörk energi inte förrän för 11 år sedan, då två studier, en ledd av Riess och Brian Schmidt från Mount Stromlo Observatory, och den andra av Saul Perlmutter från Lawrence Berkeley National Laboratory upptäckte mörk energi oberoende, delvis med Hubble-observationer. Sedan dess har astronomer strävat efter observationer för att bättre karakterisera mörk energi.
Riess syn på att begränsa alternativa förklaringar för mörk energi - oavsett om det är en statisk kosmologisk konstant eller ett dynamiskt fält (som den avvisande kraften som drev inflationen efter big bang) - är för att ytterligare förfina mätningar av universums expansionshistoria.
Innan Hubble lanserades 1990 varierade beräkningarna av Hubble-konstanten med en faktor två. I slutet av 1990-talet förfinade Hubble Space Telescope Key Project på den extragalaktiska distansskalan värdet på Hubble-konstanten till ett fel på bara cirka tio procent. Detta åstadkoms genom att observera Cepheid-variabler vid optiska våglängder ut till större avstånd än erhållet tidigare och jämföra dem med liknande mätningar från markbaserade teleskoper.
SHOES-teamet använde Hubbles Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) och Advanced Camera for Surveys (ACS) för att observera 240 Cepheid-variabla stjärnor över sju galaxer. En av dessa galaxer var NGC 4258, vars avstånd bestämdes mycket exakt genom observationer med radioteleskop. De andra sex galaxerna var nyligen värd för super I-supernovaer som är tillförlitliga avståndsindikatorer för ännu längre mätningar i universum. Supernovaer av typ Ia exploderar alla med nästan samma mängd energi och har därför nästan samma inre ljusstyrka.
Genom att observera Cepheids med mycket liknande egenskaper vid nästan infraröda våglängder i alla sju galaxer, och använda samma teleskop och instrument, kunde teamet mer exakt kalibrera supernovans ljusstyrka. Med Hubbles kraftfulla kapacitet kunde teamet undvika några av de skakaste spåren längs den tidigare avståndsstegen som involverade osäkerheter i Cepheids beteende.
Riess skulle så småningom vilja se Hubble-konstanten förfinas till ett värde med ett fel på högst en procent, för att sätta ännu strängare begränsningar för lösningar på mörk energi.
Källa: Space Telescope Science Institute
