Er der noget uforudsagt, der foregår i rummet?
Når man kikker dybt ind i kernen af Krabbe-tågen afslører dette nærbillede det bankende hjerte i en af de mest historiske og intensivt studerede rester af en supernova, en eksploderende stjerne. Himmelskropper som supernovaer hjalp Rieses team med astronomer til at måle afstande til at bestemme, hvor hurtigt universet ekspanderer. Billede via Space Telescope Science Institute.
Af Donna Weaver og Ray Villard / Johns Hopkins
Her er den gode nyhed: Astronomer har foretaget den mest præcise måling til dato for den hastighed, som universet ekspanderer siden Big Bang.
Her er den muligvis foruroligende nyhed: De nye numre forbliver i strid med uafhængige målinger af det tidlige universets ekspansion, hvilket kan betyde, at der er noget ukendt ved universets sammensætning.
Er der noget uforudsagt, der foregår i rummet?
Adam Riess er nobelpristager og Bloomberg-distribueret professor ved Johns Hopkins University. Han sagde:
Samfundet kæmper virkelig med at forstå betydningen af denne uoverensstemmelse.
Riess leder et team af forskere, der bruger Hubble-rumteleskopet til at måle universets ekspansionshastighed. Han delte en Nobelpris i 2011 for opdagelsen af det accelererende univers.
Holdet, der inkluderer forskere fra Hopkins og Space Telescope Science Institute, har brugt Hubble-rumteleskopet i de sidste seks år til at forfine målingerne af afstande til galakser ved at bruge stjerner som milepostmarkører. Disse målinger bruges til at beregne, hvor hurtigt universet ekspanderer med tiden, en værdi kendt som Hubble-konstanten.
Billede via NASA, ESA, A. Feild (STScI) og A. Riess (STScI / JHU).
Målinger foretaget af Det Europæiske Rumorganisations Planck-satellit, der kortlægger den kosmiske mikrobølgebakgrund, forudsagde, at Hubble-konstante værdi nu skulle være 42 miles (67 km) per sekund pr. Megaparsek (3,3 millioner lysår) og ikke kunne være højere end 69 miles (69 km) pr. Sekund pr. Megaparsek. Dette betyder, at for hver 3,3 millioner lysår længere væk en galakse er fra os, bevæger den sig 67 miles (67 km) i sekundet hurtigere. Men Riess's hold målte en værdi på 73 km (pr. Sekund) pr. Megaparsek, hvilket indikerer, at galakser bevæger sig med en hurtigere hastighed end antydet af observationer af det tidlige univers.
Hubble-dataene er så præcise, at astronomer ikke kan afvise afstanden mellem de to resultater som fejl i en enkelt måling eller metode. Riess forklarede:
Begge resultater er testet adskillige måder. Ved at forhindre en række uafhængige fejl er det i stigende grad sandsynligt, at dette ikke er en fejl, men et træk ved universet.
At forklare en forskærende forskel
Riess skitserede et par mulige forklaringer på uoverensstemmelsen, alt sammen relateret til de 95 procent af universet, der er indhyllet i mørke. En mulighed er, at mørk energi, der allerede er kendt for at fremskynde kosmos, kan skyve galakser væk fra hinanden med endnu større - eller voksende styrke. Dette betyder, at selve accelerationen muligvis ikke har en konstant værdi i universet, men ændrer sig over tid.
En anden idé er, at universet indeholder en ny subatomisk partikel, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. Sådanne hurtige partikler kaldes samlet ”mørk stråling” og inkluderer tidligere kendte partikler som neutrinoer, som skabes i nukleare reaktioner og radioaktive forfald. I modsætning til en normal neutrino, der interagerer med en subatomisk kraft, vil denne nye partikel kun blive påvirket af tyngdekraften og kaldes en "steril neutrino."
Endnu en attraktiv mulighed er, at mørkt stof - en usynlig form for stof, der ikke består af protoner, neutroner og elektroner - interagerer mere kraftigt med normalt stof eller stråling end tidligere antaget.
Enhver af disse scenarier ville ændre indholdet af det tidlige univers og føre til uoverensstemmelser i teoretiske modeller. Disse uoverensstemmelser ville resultere i en forkert værdi for Hubble-konstanten, udledt af observationer af det unge kosmos. Denne værdi vil derefter være i strid med antallet afledt af Hubble-observationer.
Riess og hans kolleger har endnu ingen svar på dette irriterende problem, men hans team vil fortsat arbejde med at finjustere universets ekspansionshastighed. Indtil videre har holdet, kaldet Supernova H0 for State Equation - kaldet SH0ES - reduceret usikkerheden til 2,3 procent.
Opbygning af en bedre gårdstok
Holdet har haft succes med at raffinere Hubble konstante værdi ved at strømline og styrke konstruktionen af den kosmiske afstandstige, en række sammenkoblede måleteknikker, der gør det muligt for astronomer at måle afstande over milliarder af lysår.
Astronomer kan ikke bruge et målebånd til at måle afstanden mellem galakser - i stedet bruger de specielle klasser af stjerner og supernovaer som kosmiske målestok eller milepostmarkører til præcist at måle galaktiske afstande.
Blandt de mest pålidelige, der bruges til at måle kortere afstande, er Cepheid-variabler, som er pulserende stjerner, der lyser og dæmpes med specifikke hastigheder. Nogle fjerne galakser indeholder en anden pålidelig målestok, eksploderende stjerner kaldet Type Ia-supernovaer, der blusser med ensartet lysstyrke og er strålende nok til at ses relativt længere væk. Ved hjælp af et grundlæggende værktøj til geometri kaldet parallax, som måler det tilsyneladende skift af et objekts position på grund af en ændring i en observatørs synspunkt, kan astronomer måle afstandene til disse himmellegemer uafhængigt af deres lysstyrke.
Tidligere Hubble-observationer studerede 10 hurtigere blinkende Cepheider placeret 300 lysår til 1.600 lysår fra Jorden. De seneste Hubble-resultater er baseret på målinger af parallaxen fra otte nyligt analyserede Cepheider i vores Melkevejsgalakse beliggende ca. 10 gange længere væk end nogen tidligere undersøgt, med mellem 6.000 lysår og 12.000 lysår fra Jorden.
For at måle parallax med Hubble måtte Riess team måle den tilsyneladende lille wobble af Cepheids på grund af Jordens bevægelse omkring solen. Disse wobbles er på størrelse med kun 1/100 af en enkelt pixel på teleskopets kamera, hvilket er nogenlunde den tilsyneladende størrelse på et sandkorn, der er set 160 km væk.
For at sikre nøjagtigheden af målingerne udviklede astronomerne en smart metode, der ikke blev forestillet, da Hubble blev lanceret i 1990. Forskerne opfandt en scanningsteknik, hvor teleskopet målte en stjerneposition tusind gange pr. Minut hvert halve år i fire år . Teleskopet dræbes langsomt hen over et stjernemål og fanger billedet som en lysstrimmel. Riess sagde:
Denne metode giver gentagne muligheder for at måle de ekstremt små forskydninger på grund af parallax. Du måler adskillelsen mellem to stjerner, ikke kun et sted på kameraet, men flere og flere tusinder af gange, hvilket reducerer målingerne.
Riess's team sammenlignede galaksernes afstande i forhold til Jorden med udvidelsen af rummet målt ved strækning af lys fra tilbagegående galakser ved hjælp af den tilsyneladende hastighed for galakser i hver afstand til at beregne Hubble-konstanten. Deres mål er at reducere usikkerheden yderligere ved hjælp af data fra Hubble og Det Europæiske Rumagenturs Gaia-rumobservatorium, som vil måle stjerner og afstande for stjerner med hidtil uset præcision.
Nederste linje: Forskere, der måler universets ekspansionshastighed, siger, at deres nye tal forbliver i strid med uafhængige målinger af det tidlige universets ekspansion, hvilket kan betyde, at der er noget ukendt ved universets sammensætning.