Astronomen krijgen hun wens en de Hubble – crisis wordt erger.

We weten niet waarom het universum sneller lijkt uit te breiden dan zou moeten. Nieuwe ultraprecieze afstandsmetingen hebben het probleem alleen maar versterkt.

De Gaia-telescoop meet de afstanden tot sterren door hun parallax of schijnbare verschuiving in de loop van een jaar te meten. 
Dichtere sterren hebben een grotere parallax.

Op 3 december had de mensheid plotseling informatie binnen handbereik die mensen wilden hebben voor, nou ja, voor altijd: de precieze afstanden tot de sterren.

“Je typt de naam van een ster of zijn positie, en binnen een seconde heb je het antwoord”, zei Barry Madore , een kosmoloog aan de University of Chicago en Carnegie Observatories, vorige week tijdens een Zoom-oproep. ‘Ik bedoel …’ Hij stopte.

“We drinken nu uit een brandslang”, zei Wendy Freedman , ook kosmoloog in Chicago en Carnegie en Madore’s vrouw en medewerker.

“Ik kan niet genoeg benadrukken hoe opgewonden ik ben”, zei Adam Riess van de Johns Hopkins University, die in 2011 de Nobelprijs voor natuurkunde won voor het samen ontdekken van donkere energie, in een telefoongesprek. “Kan ik je visueel laten zien waar ik zo enthousiast over ben?” We schakelden over naar Zoom zodat hij mooie plots van de nieuwe stergegevens op het scherm kon delen.

De gegevens zijn afkomstig van het Gaia-ruimtevaartuig van de European Space Agency, dat de afgelopen zes jaar naar de sterren heeft gekeken vanaf een baars van 1,6 miljoen mijl hoog. De telescoop heeft de “parallaxen” van 1,3 miljard sterren gemeten – kleine verschuivingen in de schijnbare posities van de sterren aan de hemel die hun afstanden onthullen. “De Gaia-parallaxen zijn verreweg de meest nauwkeurige en precieze afstandsbepalingen ooit”, zegt Jo Bovy, een astrofysicus aan de Universiteit van Toronto.

Het beste van alles voor kosmologen is dat Gaia’s nieuwe catalogus de speciale sterren bevat waarvan de afstanden dienen als maatstaven voor het meten van alle verder gelegen kosmologische afstanden. Hierdoor hebben de nieuwe gegevens het grootste raadsel in de moderne kosmologie snel verscherpt: de onverwacht snelle uitbreiding van het universum, bekend als de Hubble-spanning.

De spanning is dit: de bekende ingrediënten en leidende vergelijkingen van de kosmos voorspellen dat het momenteel zou moeten uitbreiden met een snelheid van 67 kilometer per seconde per megaparsec – wat betekent dat we sterrenstelsels 67 kilometer per seconde sneller van ons zouden moeten zien wegvliegen voor elke extra megaparsec afstand . Maar feitelijke metingen schieten consequent voorbij. Melkwegstelsels trekken te snel terug. De discrepantie suggereert opwindend dat er een onbekende versneller in de kosmos op komst is.

“Het zou ongelooflijk spannend zijn als er nieuwe fysica zou zijn”, zei Freedman. “Ik heb een geheim in mijn hart waarvan ik hoop dat het er is, dat daar iets ontdekt kan worden. Maar we willen zeker weten dat we gelijk hebben. Er is werk aan de winkel voordat we dat ondubbelzinnig kunnen zeggen. “

Dat werk omvat het verminderen van mogelijke bronnen van fouten bij metingen van de kosmische expansiesnelheid. Een van de grootste bronnen van die onzekerheid zijn de afstanden tot nabije sterren – afstanden die de nieuwe parallaxgegevens bijna lijken vast te leggen.

In een paper die gisteravond online is geplaatst en ingediend bij The Astrophysical Journal , heeft het team van Riess de nieuwe gegevens gebruikt om de uitbreidingssnelheid vast te stellen op 73,2 kilometer per seconde per megaparsec, in lijn met hun vorige waarde, maar nu met een foutmarge van slechts 1,8%. Dat lijkt de discrepantie met het veel lagere voorspelde percentage van 67 te dichten.

Freedman en Madore verwachten in januari de nieuwe en verbeterde meting van de kosmische expansie van hun groep te publiceren. Ook zij verwachten dat de nieuwe gegevens hun meting zullen versterken in plaats van verschuiven, die de neiging heeft lager te landen dan die van Riess en die van andere groepen, maar nog steeds hoger dan de voorspelling.

Sinds Gaia in december 2013 werd gelanceerd, heeft het twee andere enorme datasets uitgebracht die een revolutie teweeg hebben gebracht in ons begrip van onze kosmische omgeving. Toch waren Gaia’s eerdere parallaxmetingen een teleurstelling. “Toen we keken naar de eerste datapublicatie” in 2016, zei Freedman, “wilden we huilen.”

Een onvoorzien probleem

Als parallaxen gemakkelijker te meten waren geweest, had de Copernicaanse revolutie misschien eerder plaatsgevonden.

Copernicus stelde in de 16e eeuw voor dat de aarde om de zon draait. Maar zelfs in die tijd wisten astronomen van parallax. Als de aarde bewoog, zoals Copernicus beweerde, verwachtten ze dat nabije sterren aan de hemel zouden verschuiven, net zoals een lantaarnpaal lijkt te verschuiven ten opzichte van de heuvels op de achtergrond als je de straat oversteekt. De astronoom Tycho Brahe heeft zo’n stellaire parallax niet ontdekt en concludeerde daarmee dat de aarde niet beweegt.

En toch doet het, en de sterren verschuiven – zij het nauwelijks, omdat ze zo ver weg zijn.

Het duurde tot 1838 voordat de Duitse astronoom Friedrich Bessel de parallax van sterren ontdekte. Door de hoekverschuiving van het sterrenstelsel 61 Cygni ten opzichte van de omringende sterren te meten, concludeerde Bessel dat het 10,3 lichtjaar verwijderd was. Zijn meting verschilde slechts 10% van de werkelijke waarde – Gaia’s nieuwe metingen plaatsen de twee sterren in het systeem op 11.4030 en 11.4026 lichtjaar afstand, geven of nemen een of tweeduizendste van een lichtjaar.

Het 61 Cygni-systeem is uitzonderlijk dichtbij. Meer typische Melkwegsterren verschuiven met slechts tienduizendste van een boogseconde – slechts honderdsten van een pixel in een moderne telescoopcamera. Voor het detecteren van de beweging zijn gespecialiseerde, ultrastabiele instrumenten nodig. Gaia was voor dit doel ontworpen, maar toen hij werd ingeschakeld, had de telescoop een onvoorzien probleem.

De telescoop werkt door in twee richtingen tegelijk te kijken en de hoekverschillen tussen sterren in zijn twee gezichtsvelden te volgen, legde Lennart Lindegren uit , die in 1993 mede-oprichter was van de Gaia-missie en de analyse van de nieuwe parallaxgegevens leidde . Nauwkeurige parallaxschattingen vereisen dat de hoek tussen de twee gezichtsvelden onveranderd blijft. Maar al vroeg in de Gaia-missie ontdekten wetenschappers dat dit niet het geval is. De telescoop buigt een beetje terwijl hij roteert ten opzichte van de zon, waardoor een schommeling in zijn metingen wordt geïntroduceerd die parallax nabootst. Erger nog, deze parallax “offset” hangt op gecompliceerde manieren af ​​van de positie, kleuren en helderheid van objecten.

Naarmate de gegevens echter toenemen, hebben de Gaia-wetenschappers het gemakkelijker gevonden om de nepparallax van de echte te scheiden. Lindegren en collega’s slaagden erin om veel van de trillingen van de telescoop te verwijderen uit de nieuw vrijgegeven parallaxgegevens, terwijl ze ook een formule bedachten die onderzoekers kunnen gebruiken om de uiteindelijke parallaxmetingen te corrigeren, afhankelijk van de positie, kleur en helderheid van een ster.

De ladder beklimmen

Met de nieuwe gegevens in de hand hebben Riess, Freedman en Madore en hun teams de uitbreidingssnelheid van het universum opnieuw kunnen berekenen. In grote lijnen is de manier om kosmische expansie te meten, erachter te komen hoe ver verre melkwegstelsels zijn en hoe snel ze van ons terugtrekken. De snelheidsmetingen zijn eenvoudig; afstanden zijn moeilijk.

De meest nauwkeurige metingen zijn gebaseerd op ingewikkelde ‘kosmische afstandsladders’. De eerste sport bestaat uit ‘standaardkaars’-sterren in en rond ons eigen melkwegstelsel die goed gedefinieerde lichtsterktes hebben en die dichtbij genoeg zijn om parallax te vertonen – de enige zekere manier om te zien hoe ver de dingen zijn zonder daarheen te reizen. Astronomen vergelijken vervolgens de helderheid van deze standaardkaarsen met die van zwakkere in nabije sterrenstelsels om hun afstanden af ​​te leiden. Dat is de tweede sport van de ladder. Door de afstanden te kennen van deze sterrenstelsels, die zijn gekozen omdat ze zeldzame, heldere stellaire explosies bevatten die type 1a supernova’s worden genoemd, kunnen kosmologen de relatieve afstanden meten van verder weg gelegen sterrenstelsels die zwakkere Type 1a supernova’s bevatten. De verhouding tussen de snelheden van deze verre sterrenstelsels en hun afstanden geeft de kosmische expansiesnelheid aan.

Parallaxen zijn dus cruciaal voor de hele constructie. “Je verandert de eerste stap – de parallaxen – en dan verandert alles wat volgt ook”, zei Riess, een van de leiders van de afstandsladderbenadering. “Als je de precisie van de eerste stap verandert, verandert de precisie van al het andere.”

Het team van Riess heeft Gaia’s nieuwe parallaxen van 75 cepheïden – pulserende sterren die hun favoriete standaardkaarsen zijn – gebruikt om hun meting van de kosmische expansiesnelheid opnieuw te kalibreren.

Freedman en Madore, Riess ‘belangrijkste rivalen aan de top van het afstandsladderspel, hebben de afgelopen jaren betoogd dat cepheïden mogelijke misstappen op hogere sporten van de ladder bevorderen. Dus in plaats van er te zwaar op te leunen, combineert hun team metingen op basis van meerdere soorten standaard kaarssterren uit de Gaia-dataset, waaronder Cepheïden, RR Lyrae-sterren, tip-of-the-red-reuzentaksterren en zo. koolstofsterren genoemd.

“Gaia’s [nieuwe gegevensuitgave] biedt ons een veilige basis”, aldus Madore. Hoewel een reeks artikelen van het team van Madore en Freedman de komende weken niet wordt verwacht, merkten ze op dat de nieuwe parallaxgegevens en correctieformule goed lijken te werken. Bij gebruik met verschillende methoden voor het plotten en ontleden van de metingen, vallen gegevenspunten die cepheïden en andere speciale sterren vertegenwoordigen keurig langs rechte lijnen, met zeer weinig “verstrooiing” dat zou duiden op een willekeurige fout.

‘Het vertelt ons dat we echt naar de echte dingen kijken,’ zei Madore.

VERWANT:


  1. Nieuwe rimpel toegevoegd aan Cosmology’s Hubble Crisis
  2. Wat zou de expansie van het universum kunnen versnellen?
  3. Het verborgen magnetische universum begint in zicht te komen

Gepubliceerd op: Quanta Magazine

Geef een reactie