Jak szybko wszechświat naprawdę się rozszerza? Wiele widoków eksplodującej gwiazdy rodzi nowe pytania

Jak my się tu znaleźliśmy? gdzie idziemy? Jak długo to zajmie? Te pytania są tak stare jak sama ludzkość, a jeśli faktycznie zostały zadane przez inne gatunki w innym miejscu we wszechświecie, prawdopodobnie są znacznie starsze.

Są to również niektóre z fundamentalnych pytań, na które staramy się odpowiedzieć w badaniu wszechświata, który nazywa się kosmologią. Jednym z dylematów kosmologicznych jest to, jak szybko wszechświat się rozszerza, co mierzy się liczbą zwaną stałą Hubble’a. Wokół tego panuje duże napięcie.

W dwóch nowych artykułach, prowadzonych przez mojego kolegę Patricka Kelly’ego z University of Minnesota, z powodzeniem zastosowaliśmy nową technikę – obejmującą światło z eksplodującej gwiazdy, która dotarła do Ziemi wieloma zygzakowatymi ścieżkami przez rozszerzający się Wszechświat – do pomiaru stałej Hubble’a. Prace zostały opublikowane w Nauki I Dziennik astrofizyczny.

A jeśli nasze wyniki nie rozwiążą całkowicie napięcia, dają nam kolejną wskazówkę – i więcej pytań do zadania.

Standardowe świece i rozszerzający się wszechświat

Od lat dwudziestych XX wieku wiemy, że wszechświat się rozszerza.

Około 1908 roku amerykańska astronom Henrietta Levitt znalazła sposób na zmierzenie wewnętrznej jasności rodzaju gwiazdy zwanej zmienną cefeidy – nie tego, jak jasne są one z Ziemi, co zależy od odległości i innych czynników, ale jak jasne są naprawdę. Cefidy stają się jaśniejsze i ciemniejsze w regularnym cyklu, a Levitt wykazał, że wewnętrzna jasność jest związana z długością tego cyklu.

Prawo Levitta, jak się je obecnie nazywa, pozwala naukowcom używać cefeid jako „świec normatywnych”: obiektów, których jasność wewnętrzna jest znana, a zatem można obliczyć ich odległość.

Jak to działa? Wyobraź sobie, że jest noc, a ty stoisz na długiej, ciemnej ulicy z kilkoma latarniami biegnącymi wzdłuż drogi. Teraz wyobraź sobie, że każda latarnia ma ten sam typ lampy o tej samej mocy. Zauważysz, że dalecy wydają się słabsi niż bliscy.

Wiemy, że światło zanika proporcjonalnie do odległości, zgodnie z prawem światła odwrotnym do kwadratu. Teraz, gdybyś mógł zmierzyć, jak jasne było dla ciebie każde światło, i gdybyś faktycznie wiedział, jak jasne jest, mógłbyś powiedzieć, jak daleko znajdował się każdy słup światła.

W 1929 roku inny amerykański astronom, Edwin Hubble, był w stanie znaleźć wiele takich cefeid w innych galaktykach i zmierzyć odległość między nimi – i na podstawie tych odległości i innych pomiarów był w stanie określić, że wszechświat się rozszerza.

Różne metody dają różne wyniki

Ta metoda świecy standardowej jest potężna, ponieważ pozwala nam mierzyć rozległy wszechświat. Zawsze szukamy różnych świec, które można lepiej zmierzyć i zobaczyć z dużo większej odległości.

Niektóre niedawne próby zmierzenia Wszechświata daleko od Ziemi, takie jak projekt SH0ES, którego byłem częścią, kierowany przez laureata Nagrody Nobla Adama Riessa, wykorzystywały kifidy wraz z typem eksplodującej gwiazdy zwanej supernową typu Ia, która może być również wykorzystana jako zwykła świeca.

Istnieją również inne sposoby pomiaru stałej Hubble’a, takie jak te, które wykorzystują kosmiczne mikrofalowe tło – światło lub promieniowanie, które zaczęło przemieszczać się po wszechświecie wkrótce po Wielkim Wybuchu.

Problem polega na tym, że te dwa pomiary, jeden z bliska przy użyciu supernowych i kevididów, a drugi bardzo daleko przy użyciu tła mikrofalowego, różnią się o około 10%. Astronomowie nazywają tę rozbieżność napięciem Hubble’a i szukają nowych technik pomiarowych, aby ją rozwiązać.

Nowa metoda: soczewkowanie grawitacyjne

W naszej nowej pracy z powodzeniem zastosowaliśmy nową technikę pomiaru tempa ekspansji Wszechświata. Praca oparta jest na supernowej o nazwie Supernova Refsdal.

W 2014 roku nasz zespół obserwował wiele zdjęć tej samej supernowej — po raz pierwszy zaobserwowano taką „soczewkową” supernową. Zamiast zobaczyć jedną supernową, Kosmiczny Teleskop Hubble’a zobaczył pięć!

Jak to się stało? Światło z supernowej wystrzeliło we wszystkich kierunkach, ale podróżowało przez przestrzeń kosmiczną wypaczoną przez potężne pola grawitacyjne masywnej grupy galaktyk, zakrzywiając część ścieżki światła w taki sposób, że dotarło na Ziemię wieloma ścieżkami. . Każda napotkana przez nas supernowa to inna ścieżka przez wszechświat.

Wyobraź sobie trzy pociągi odjeżdżające z tej samej stacji w tym samym czasie. Jednak jeden idzie prosto do następnego przystanku, jeden robi szeroką wędrówkę przez góry, a drugi przez wybrzeże. Wszyscy wyjeżdżają i przyjeżdżają na te same stacje, ale odbywają różne podróże, więc wyjeżdżając w tym samym czasie, dotrą na miejsce w różnych momentach.

Tak więc nasze zdjęcia z obiektywu pokazują tę samą supernową, która eksplodowała w określonym momencie, ale każdy obraz podróżuje inną drogą. Przyglądając się pojawianiu się każdej supernowej na Ziemi – z których jedna miała miejsce w 2015 r., po tym, jak zauważono już eksplodującą gwiazdę – byliśmy w stanie zmierzyć czas ich podróży, a tym samym, jak bardzo Wszechświat urósł, gdy s był w tranzyt.

czy dotarliśmy

Dało nam to inną, ale wyjątkową miarę wzrostu wszechświata. W artykułach badawczych stwierdziliśmy, że ten pomiar jest bliższy pomiarowi kosmicznego mikrofalowego tła, a nie cefeidy i pobliskiej supernowej. Jednak biorąc pod uwagę jego lokalizację, powinien być bliżej pomiaru cefeidy i supernowej.

Chociaż to wcale nie rozstrzyga debaty, daje nam kolejną wskazówkę do rozważenia. Może być problem z wartością supernowej, naszym rozumieniem gromad galaktyk i modelami, które można zastosować do soczewkowania, lub czymś zupełnie innym.

Jak dzieci na tylnym siedzeniu samochodu na wycieczce pytające „Czy już tam jesteśmy”, wciąż nie wiemy.