Hoe snel dijt het heelal werkelijk uit? De meerdere weergaven van een exploderende ster roepen nieuwe vragen op

Hoe zijn we hier gekomen? waar gaan we naartoe? Hoelang zal het duren? Deze vragen zijn zo oud als de mensheid zelf, en als ze daadwerkelijk door andere soorten elders in het universum zijn gesteld, zijn ze waarschijnlijk veel ouder dan dat.

Het zijn ook enkele van de fundamentele vragen die we proberen te beantwoorden in de studie van het universum, die kosmologie wordt genoemd. Een kosmologisch dilemma is hoe snel het universum uitdijt, wat wordt gemeten door een getal dat de Hubble-constante wordt genoemd. Er hangt een grote spanning omheen.

In twee nieuwe artikelen onder leiding van mijn collega Patrick Kelly aan de Universiteit van Minnesota, hebben we met succes een nieuwe techniek gebruikt – waarbij licht van een exploderende ster die de aarde bereikte via meerdere zigzagpaden door het uitdijende universum – de Hubble-constante meet. De artikelen zijn gepubliceerd in Wetenschappen En Astrofysisch tijdschrift.

En als onze resultaten de spanning niet volledig oplossen, geven ze ons nog een aanwijzing – en meer vragen om te stellen.

Standaardkaarsen en het uitdijende heelal

We weten al sinds de jaren 1920 dat het heelal uitdijt.

Rond 1908 vond de Amerikaanse astronoom Henrietta Levitt een manier om de intrinsieke helderheid te meten van een type ster dat een Cepheïde-variabele wordt genoemd – niet hoe helder ze vanaf de aarde zijn, wat afhangt van afstand en andere factoren, maar hoe helder ze werkelijk zijn. Cephids worden helderder en zwakker in een regelmatige cyclus, en Levitt toonde aan dat intrinsieke helderheid verband houdt met de lengte van deze cyclus.

De wet van Levitt, zoals die nu wordt genoemd, stelt wetenschappers in staat om cepheïden te gebruiken als “normatieve kaarsen”: objecten waarvan de interne helderheid bekend is en daarom kan hun afstand worden berekend.

Hoe werkt dit? Stel je voor dat het nacht is en je staat in een lange, donkere straat met een paar lantaarnpalen die over de weg lopen. Stel je nu voor dat elke lantaarnpaal hetzelfde type lamp heeft met hetzelfde vermogen. U zult merken dat de verre zwakker lijken dan de nabije.

We weten dat licht vervaagt in verhouding tot de afstand, in iets dat de inverse kwadratenwet van licht wordt genoemd. Als je nu zou kunnen meten hoe helder elk licht voor jou was, en als je werkelijk wist hoe helder het was, dan zou je kunnen zeggen hoe ver elke lichtmast is.

In 1929 was een andere Amerikaanse astronoom, Edwin Hubble, in staat om een ​​aantal van deze cepheïden in andere sterrenstelsels te vinden en de onderlinge afstand te meten – en uit die afstanden en andere metingen kon hij vaststellen dat het universum uitdijt.

Verschillende methodes geven verschillende resultaten

Deze standaardkaarsmethode is krachtig, omdat we hiermee het uitgestrekte universum kunnen meten. We zijn altijd op zoek naar verschillende kaarsen die beter kunnen worden gemeten en op veel grotere afstanden kunnen worden gezien.

Enkele recente pogingen om het universum ver van de aarde te meten, zoals het SH0ES-project waar ik deel van uitmaakte, geleid door Nobelprijswinnaar Adam Riess, hebben kyphids gebruikt samen met een type exploderende ster genaamd Type Ia supernova, die ook kan worden gebruikt als een standaard kaarssupernova.

Er zijn ook andere manieren om de Hubble-constante te meten, zoals degene die de kosmische microgolfachtergrond gebruiken – licht of straling die kort na de oerknal door het universum begon te reizen.

Het probleem is dat deze twee metingen, één dichtbij met behulp van supernovae en kevidids, en één heel ver weg met behulp van de microgolfachtergrond, ongeveer 10% verschillen. Astronomen noemen deze divergentie de Hubble-spanning en ze zoeken naar nieuwe meettechnieken om dit op te lossen.

Nieuwe methode: zwaartekrachtlenzen

In ons nieuwe werk hebben we met succes een nieuwe techniek gebruikt om de uitdijingssnelheid van het universum te meten. Het werk is gebaseerd op een supernova genaamd Supernova Refsdal.

In 2014 observeerde ons team meerdere beelden van dezelfde supernova – de eerste keer dat zo’n “lenticulaire” supernova werd waargenomen. In plaats van één supernova te zien, zag de Hubble-ruimtetelescoop er vijf!

Hoe gebeurde dit? Het licht van de supernova schoot alle kanten op, maar reisde door de ruimte die kromgetrokken was door de enorme zwaartekrachtvelden van een enorme cluster van sterrenstelsels, waarbij een deel van het pad van het licht zodanig werd afgebogen dat het via meerdere paden op aarde terechtkwam. . Elke supernova die we tegenkomen is een ander pad door het heelal.

Stel je voor dat er drie treinen tegelijkertijd uit hetzelfde station vertrekken. De een gaat echter direct door naar de volgende halte, de ander maakt een brede tocht door de bergen en de ander gaat langs de kust. Ze vertrekken allemaal en komen aan op hetzelfde station, maar ze maken verschillende reizen en dus zullen ze, terwijl ze op hetzelfde tijdstip vertrekken, op verschillende tijdstippen aankomen.

Dus onze lensbeelden tonen dezelfde supernova, die op een bepaald moment explodeerde, maar elk beeld legt een ander pad af. Door te kijken naar de aankomst van elke supernova-verschijning op aarde – waarvan er één plaatsvond in 2015, nadat de exploderende ster al was opgemerkt – konden we hun reistijd meten, en dus hoeveel het universum was gegroeid terwijl de verschijning zich in de ruimte bevond. doorvoer.

zijn we aangekomen

Dit gaf ons een andere maar unieke maatstaf voor de groei van het universum. In onderzoeksdocumenten vonden we dat deze meting dichter bij die van de kosmische microgolfachtergrond lag, niet bij die van Cepheid en de nabije supernova. Op basis van de locatie zou het echter dichter bij Cepheid- en Supernova-metingen moeten zijn.

Hoewel dit het debat helemaal niet beslecht, geeft het ons wel een andere aanwijzing om te overwegen. Er kan een probleem zijn met de supernova-waarde, ons begrip van clusters van sterrenstelsels en modellen die kunnen worden toegepast op lenzen, of iets heel anders.

Zoals de kinderen achterin de auto tijdens een roadtrip die vragen “Zijn we er al”, we weten het nog steeds niet.