1920-luvulla Edwin Hubble antoi uraauurtavan ilmoituksen siitä, että maailmankaikkeus oli laajentumisen tilassa. Alun perin ennustettiin Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian seurauksena, tämä vahvistus johti siihen, mitä kutsuttiin Hubblen vakiona. Varmistuina vuosikymmeninä ja seuraavan sukupolven teleskooppien - kuten osuvasti nimeltään Hubble Space Telescope (HST) - käyttöönoton ansiosta tutkijat on pakotettu tarkistamaan tätä lakia.
Lyhyesti sanottuna, kyky nähdä kauemmas avaruuteen (ja ajalle syvemmälle) on viime vuosikymmenien aikana antanut astronomille mahdollisuuden tehdä tarkempia mittauksia siitä, kuinka nopeasti varhainen maailmankaikkeus on laajentunut. Ja Hubblella tehdyn uuden tutkimuksen ansiosta kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä on pystynyt suorittamaan täsmällisimmät mittaukset maailmankaikkeuden laajentumisnopeudesta tähän mennessä.
Tämän tutkimuksen suoritti Supernova H0 for Equation of State (SH0ES) -tiimi, joka on kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä, joka on pyrkinyt tarkentamaan Hubble-vakion tarkkuutta vuodesta 2005. Ryhmää johtaa Adam Reiss of Space Telescope Science Institute (STScI) ja Johns Hopkins University, ja niihin kuuluu jäseniä American Natural Museum of Natural History, Neils Bohr Institute, National Optical Astronomy Observatory ja monista arvostetuista yliopistoista ja tutkimuslaitoksista.
Tutkimus, joka kuvaa heidän havaintojaan, ilmestyi äskettäin The Astrophysical Journal otsikolla ”Tyypin Ia Supernova-etäisyydet punasuunnassa> 1,5 päässä Hubble-avaruuskaukoputki Monisyklinen kassaohjelma: Varhainen laajennusaste “. Tutkimuksensa vuoksi ja pitkäaikaisten tavoitteidensa mukaisesti ryhmä yritti rakentaa uuden ja tarkemman ”etäisyys tikkaat”.
Tämä työkalu on, kuinka tähtitieteilijät ovat mitattaneet perinteisesti etäisyyksiä maailmankaikkeudessa, joka koostuu luottamisesta etäisyysmerkereihin, kuten Cepheid-muuttujiin - sykkiviin tähtiihin, joiden etäisyydet voidaan päätellä vertaamalla sisäistä kirkkauttaan näennäisvalaisuuteen. Näitä mittauksia verrataan sitten tapaan, jolla etäisistä galakseista tuleva valo siirtyy punaisesti, jotta voidaan määrittää, kuinka nopeasti galaksien välinen tila kasvaa.
Tästä johdetaan Hubble-vakio. Etäisten tikkaiden rakentamiseksi Riess ja hänen tiiminsä suorittivat parallaksimittauksia Hubble's Wide Field Camera 3: n (WFC3) avulla kahdeksasta hiljattain analysoidusta Cepheid-muuttuvasta tähdestä Linnunradalla. Nämä tähdet ovat noin 10 kertaa kauempana kuin mikään aikaisemmin tutkittu - välillä 6000–12 000 valovuotta maasta - ja sykkyvät pidempien välien välein.
Jotta voitaisiin varmistaa tarkkuus, joka huomioi näiden tähtien häiriöt, ryhmä kehitti myös uuden menetelmän, jossa Hubble mittasi tähden sijainnin tuhat kertaa minuutissa kuuden kuukauden ajan neljän vuoden ajan. Sitten joukkue vertasi näiden kahdeksan tähden kirkkautta kauempana oleviin kefeideihin varmistaakseen, että ne pystyivät laskemaan etäisyydet muihin galakseihin tarkemmin.
Uutta tekniikkaa käyttämällä Hubble pystyi kaappaamaan näiden tähtien aseman muutoksen suhteessa muihin, mikä yksinkertaisti asioita valtavasti. Kuten Riess selitti NASA: n lehdistötiedotteessa:
”Tämä menetelmä mahdollistaa toistuvat mahdollisuudet mitata äärimmäisen pienet siirtymät parallaksista johtuen. Mitat kahden tähden etäisyyttä, ei vain yhdessä paikassa kamerassa, mutta yhä tuhansia kertoja, vähentäen mittausvirheitä. "
Verrattuna aikaisempiin tutkimuksiin, ryhmä pystyi laajentamaan analysoitujen tähtiä lukumäärään jopa 10 kertaa kauempana. Niiden tulokset olivat kuitenkin myös ristiriidassa Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Planck-satelliitin kanssa, joka on mitannut Kosmisen Mikroaaltouuni Taustaa (CMB) - Ison räjähdyksen luomaa säteilyä - siitä lähtien, kun se oli otettu käyttöön vuonna 2009.
Karttaa CMB: n avulla Planck on pystynyt jäljittämään kosmoksen laajentumisen varhaisen universumin ympäri. 378 000 vuotta Ison räjähdyksen jälkeen. Planckin tuloksen mukaan Hubble-vakioarvon pitäisi nyt olla 67 kilometriä sekunnissa megaparsekkia kohden (3,3 miljoonaa valovuotta), eikä se saa olla korkeampi kuin 69 kilometriä sekunnissa megaparsekkia kohden.
Riessin joukkue sai työnsä perusteella arvon 73 kilometriä sekunnissa megaparseksia kohden, mikä on 9%: n ero. Pohjimmiltaan niiden tulokset osoittavat, että galaksit liikkuvat nopeammin kuin mitä varhaisen maailmankaikkeuden havainnot osoittavat. Koska Hubble-tiedot olivat niin tarkkoja, tähtitieteilijät eivät voi hylätä kahden tuloksen välistä eroa virheinä missään yksittäisessä mittauksessa tai menetelmässä. Kuten Reiss selitti:
”Yhteisö on todella kamppailemassa ymmärtämään tämän ristiriidan merkitystä… Molemmat tulokset on testattu monin tavoin, joten estetään joukko toisiinsa liittymättömiä virheitä. on yhä todennäköisempää, että tämä ei ole virhe, vaan maailmankaikkeuden piirre. "
Viimeisimmät tulokset viittaavat siksi siihen, että jokin aikaisemmin tuntematon voima tai jokin uusi fysiikka saattaa olla toiminnassa maailmankaikkeudessa. Selityksinä Reiss ja hänen tiiminsä ovat tarjonneet kolme mahdollisuutta, jotka kaikki liittyvät 95%: iin maailmankaikkeudesta, jota emme näe (ts. Tumma aine ja tumma energia). Vuonna 2011 Reiss ja kaksi muuta tutkijaa saivat Nobelin fysiikan palkinnon vuoden 1998 havainnostaan siitä, että maailmankaikkeuden kasvuvauhti kiihtyi.
Yhdenmukaisesti tämän kanssa, he viittaavat siihen, että Dark Energy voisi ajaa galaksit toisistaan kasvavilla voimilla. Toinen mahdollisuus on, että siellä on tuntematon subatominen hiukkanen, joka on samanlainen kuin neutriino, mutta vuorovaikuttaa normaalin aineen kanssa painovoiman avulla, eikä subatomisten voimien sijasta. Nämä "steriilit neutriinot" kulkisivat lähellä valon nopeutta ja voitaisiin kutsua yhdessä nimellä "tumma säteily".
Mikä tahansa näistä mahdollisuuksista tarkoittaisi, että varhaisen maailmankaikkeuden sisältö oli erilainen, pakottaen siten ajattelemaan uudelleen kosmologisia mallejamme. Tällä hetkellä Riessillä ja kollegoilla ei ole vastauksia, mutta suunnitellaan jatkaa mittaustensa hienosäätöä. Toistaiseksi SHOES-tiimi on vähentänyt Hubble-vakion epävarmuutta 2,3%: iin.
Tämä on yhden Hubble-avaruusteleskoopin keskeisten tavoitteiden mukaista, jonka tarkoituksena oli auttaa vähentämään epävarmuusarvoa Hubblen vakiossa, jonka arviot muuttuivat kerran kertoimella 2.
Joten vaikka tämä ristiriita avaa oven uusille ja haastaville kysymyksille, se vähentää myös epävarmuuttamme merkittävästi maailmankaikkeuden mittaamisessa. Viime kädessä se parantaa ymmärrystämme siitä, miten maailmankaikkeus kehittyi sen jälkeen kun se oli luotu tulisessa kataklysmissa 13,8 miljardia vuotta sitten.
