Evren ne kadar hızlı genişliyor? Galaksiler bir cevap veriyor
Evrenin ne kadar hızlı genişlediğini belirlemek, kozmik kaderimizi anlamak için anahtardır, ancak daha kesin verilerle bir muamma ortaya çıktı: Yerel evrenimizdeki ölçümlere dayanan tahminler, 13,8 milyar yıl Büyük Patlama'dan kısa bir süre sonra yapılan tahminlerle uyuşmuyor önce.
Yerel genişleme oranının yeni bir tahmini - Hubble sabiti veya H0 (H-boş) - bu tutarsızlığı güçlendirir.
Gökbilimciler, uzaklık merdiveninde basamak olarak dev eliptik galaksilerdeki ortalama yıldız parlaklığını kullanan, kozmik mesafeleri ölçmek için nispeten yeni ve potansiyel olarak daha hassas bir teknik kullanarak, bir hız hesaplıyorlar - megaparsek başına saniyede 73,3 kilometre, 2,5 km ver veya al / sn / Mpc - Tip Ia süpernovalarından altın standart tahmini de dahil olmak üzere diğer üç iyi tahminin ortasında yer alır. Bu, Dünya'dan her megaparsec için - 3,3 milyon ışıkyılı veya 3 milyar trilyon kilometre - evrenin saniyede fazladan 73,3 ± 2,5 kilometre genişlediği anlamına gelir. Diğer üç tekniğin ortalaması 73.5 ± 1.4 km / sn / Mpc'dir.
Şaşırtıcı bir şekilde, kozmik mikrodalga arka planında ölçülen dalgalanmalara ve bağımsız olarak erken evrendeki normal maddenin yoğunluğundaki dalgalanmalara (baryon akustik salınımları) dayalı yerel genişleme oranı tahminleri çok farklı bir cevap veriyor: 67.4 ± 0.5 km / sn / Mpc.
Gökbilimciler anlaşılır bir şekilde bu uyumsuzluktan endişe duyuyorlar çünkü genişleme hızı, evrenin fiziğini ve evrimini anlamada kritik bir parametredir ve karanlık enerjiyi anlamanın anahtarıdır - bu da evrenin genişleme oranını hızlandırır ve böylece Hubble sabitinin Dünya'dan uzaklaştıkça beklenenden daha hızlı değişir. Karanlık enerji, evrendeki kütle ve enerjinin yaklaşık üçte ikisini oluşturur, ancak yine de bir gizemdir.
Yeni tahmin için, gökbilimciler H0'ı elde etmek için mesafeyi ve hıza göre çizilen mesafeyi belirlemek için 63 dev eliptik gökadanın yüzey parlaklığındaki dalgalanmaları ölçtüler. Yüzey parlaklığı dalgalanması (SBF) tekniği diğer tekniklerden bağımsızdır ve Dünya'nın yaklaşık 100 Mpc'si veya 330 milyon ışıkyılı içindeki diğer yöntemlerden daha kesin mesafe tahminleri sağlama potansiyeline sahiptir. Örnekteki 63 galaksi, 15 ila 99 Mpc arasında değişen mesafelerdedir ve zamanda geriye bakıldığında, evrenin yaşının yalnızca bir kısmına bakmaktadır.
Berkeley Kaliforniya Üniversitesi Fizik Bilimleri Profesörü ve astronomi ve fizik profesörü olan kozmolog Chung-Pei Ma, "100 megaparsek galaksilere olan mesafeleri ölçmek için bu harika bir yöntem," dedi. "Bu, SBF yöntemini kullanarak H-naught'ı incelemek amacıyla 63 galaksi üzerinde büyük, homojen bir veri kümesini bir araya getiren ilk makale."
Ma, yeni analizde kullanılanların üçte ikisi olan galaksilerin 43'ü için veri sağlayan MASSIVE yerel galaksiler araştırmasına liderlik ediyor.
Bu 63 galaksinin verileri, Ulusal Bilim Vakfı'nın NOIRLab'ından bir gökbilimci olan John Blakeslee tarafından bir araya getirildi ve analiz edildi. Orem'deki Utah Valley Üniversitesi'nden meslektaşı Joseph Jensen ile birlikte yazdığı The Astrophysical Journal'dayayınlanmak üzere kabul edilen bir makalenin ilk yazarıdır . NSF'nin optik ve kızılötesi gözlemevlerini destekleyen bilim ekibinin başında bulunan Blakeslee, galaksilere olan mesafeleri ölçmek için SBF'yi kullanmada öncü ve Jensen, bu yöntemi kızılötesi dalga boylarında ilk uygulayanlardan biriydi. İkili, analizde Ma ile yakın çalıştı.
"Astronominin tüm hikayesi, bir anlamda, evrenin mutlak ölçeğini anlama çabasıdır ve bu da bize fiziği anlatır," dedi Blakeslee, James Cook'un 1769'da Tahiti'ye yaptığı bir geçişi ölçmek için yaptığı yolculuğa geri dönerek Venüs, böylece bilim adamları güneş sisteminin gerçek boyutunu hesaplayabildi. "SBF yöntemi, yerel evrendeki evrimleşmiş galaksilerin genel popülasyonu için daha geniş bir şekilde uygulanabilir ve kesinlikle James Webb Uzay Teleskobu ile yeterince galaksi elde edersek, bu yöntem Hubble sabitinin en iyi yerel ölçümünü verme potansiyeline sahiptir. "
Hubble Uzay Teleskobu'ndan 100 kat daha güçlü olan James Webb Uzay Teleskobu'nun Ekim ayında fırlatılması planlanıyor.
Dev eliptik galaksiler
Hubble sabiti, Edwin Hubble'ın yerel genişleme oranını ilk ölçtüğünden ve yedi kat fazla büyük bir yanıt bulduğundan beri, evrenin aslında en eski yıldızlarından daha genç olduğunu ima ettiğinden beri, onlarca yıldır bir tartışma konusu olmuştur. O zaman ve şimdi sorun, uzaydaki nesnelerin konumlarını tespit etmede yatıyor ve bu nesnelerin ne kadar uzakta olduklarına dair birkaç ipucu veriyor.
Yıllar boyunca gökbilimciler, Dünya güneşi yörüngede dönerken paralaks nedeniyle hafifçe hareket ediyor gibi görünecek kadar yakın olan nesnelere olan mesafeyi hesaplamakla başlayarak daha büyük mesafelere çıktılar. Cepheids adı verilen değişken yıldızlar sizi daha da ileriye götürür çünkü parlaklıkları değişkenlik dönemleriyle bağlantılıdır ve Tip Ia süpernovaları sizi daha da uzağa götürür, çünkü zirvelerinde bütün bir galaksi kadar parlak olan son derece güçlü patlamalardır. Hem Sefeidler hem de Tip Ia süpernovaları için, mutlak parlaklığı zaman içinde değişme şekillerine bakarak bulmak mümkündür ve daha sonra mesafe, Dünya'dan görüldüğü gibi görünen parlaklıklarından hesaplanabilir.
H0 için en iyi güncel tahmin, uzak galaksilerdeki Tip Ia süpernova patlamalarıyla belirlenen mesafelerden gelir, ancak daha yeni yöntemler - uzaktaki kuasarların yerçekimsel merceklemesinin neden olduğu zaman gecikmeleri ve kara deliklerin yörüngesindeki su ustalarının parlaklığı - hepsi aynı sayıyı verir. .
Yüzey parlaklığı dalgalanmalarını kullanan teknik, en yenilerden biridir ve dev eliptik galaksilerin eski olmasına ve tutarlı bir eski yıldız popülasyonuna (çoğunlukla kırmızı dev yıldızlara) sahip olmalarına dayanır ve bunlar boyunca ortalama bir kızılötesi parlaklık verecek şekilde modellenebilir. yüzey. Araştırmacılar, Hubble Uzay Teleskobu üzerindeki Geniş Alan Kamerası 3 ile her bir galaksinin yüksek çözünürlüklü kızılötesi görüntülerini elde ettiler ve görüntüdeki her pikselin "ortalamadan" ne kadar farklı olduğunu belirlediler - tüm görüntü üzerindeki dalgalanmalar ne kadar yumuşaksa, o kadar uzağa galaksi, parlak yıldız oluşum bölgeleri gibi kusurlar için düzeltmeler yapıldığında, yazarlar analizin dışında tutuyor.
Ne Blakeslee ne de Ma, genişleme oranının diğer yerel ölçümlerinkine yakın çıkmasına şaşırmadı. Ancak, erken evrenden tahminlerle göze çarpan çelişki de aynı derecede kafa karıştırıyor - birçok gökbilimcinin söylediği bir çatışma, mevcut kozmolojik teorilerimizin yanlış veya en azından eksik olduğu anlamına geliyor.
Evrenin erken dönemlerinden elde edilen ekstrapolasyonlar, evrenin evrimini açıklamak için sadece birkaç parametre kullanan lambda soğuk karanlık madde veya CDM adı verilen en basit kozmolojik teoriye dayanmaktadır. Yeni tahmin, CDM'nin kalbine bir pay veriyor mu?
Blakeslee, "Sanırım bu hisseyi biraz daha zorluyor," dedi. "Ama (? CDM) hala yaşıyor. Bazı insanlar, tüm bu yerel ölçümlerle ilgili olarak, (gözlemcilerin) yanlış olduğunu düşünüyor. Ancak bu iddiayı yapmak gittikçe zorlaşıyor - sistematik hatalar olmasını gerektirecektir. birkaç farklı yöntem için aynı yönde: süpernova, SBF, yerçekimsel mercekleme, su maserleri. Dolayısıyla, daha bağımsız ölçümler elde ettikçe, bu pay biraz daha derinleşiyor. "
Ma, astronomların ölçümlerine yükledikleri belirsizliklerin hem sistematik hataları hem de istatistiksel hataları yansıtan çok iyimser olup olmadığını ve belki de iki tahmin aralığının hala uzlaştırılabileceğini merak ediyor.
"Jüri çıktı" dedi. "Bunun gerçekten hata çubuklarında olduğunu düşünüyorum. Ancak herkesin hata çubuklarının hafife alınmadığını varsayarsak, gerginlik rahatsız edici hale geliyor."
Aslında, alanın devlerinden gökbilimci Wendy Freedman, kısa süre önce Hubble sabitini 69.8 ± 1.9 km / sn / Mpc'ye sabitleyen ve suları daha da ileriye götüren bir çalışma yayınladı. Karanlık enerjiyi keşfettiği için 2011 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaşan astronom Adam Riess'in son sonucu 73.2 ± 1.3 km / sn / Mpc rapor ediyor. Riess, bu araştırmayı gerçekleştirdiğinde UC Berkeley'de Miller Doktora Sonrası Araştırmacısı idi ve ödülü UC Berkeley ve Berkeley Lab fizikçisi Saul Perlmutter ile paylaştı.
BÜYÜK galaksiler
H0'ın yeni değeri, yakındaki galaksilerin diğer iki araştırmasının bir yan ürünüdür - özellikle, Ma'nın, Dünya'nın yaklaşık 100 Mpc'si içindeki en büyük 100 galaksiyi kapsamlı bir şekilde incelemek için uzay ve yer tabanlı teleskopları kullanan MASSIVE araştırması. Ana hedef, süper kütleli kara delikleri her birinin merkezlerinde tartmaktır.
Bunu yapmak için kesin mesafelere ihtiyaç duyulduğunu ve SBF yönteminin bugüne kadarki en iyisi olduğunu söyledi. MASSIVE araştırma ekibi, geçen yıl bu yöntemi Eridanus'un güney gök takımyıldızında bulunan dev bir eliptik gökada olan NGC 1453'e olan mesafeyi belirlemek için kullandı. 166 milyon ışıkyılı bu mesafeyi, Ma'nın lisansüstü öğrencileri Chris Liepold ve Matthew Quenneville'in galaksinin merkezine yakın yıldızların hızlarını ölçmelerine olanak tanıyan Gemini ve McDonald teleskoplarından alınan kapsamlı spektroskopik verilerle birleştirerek, NGC'nin 1453, kütlesinin Güneş'in yaklaşık 3 milyar katı olan merkezi bir kara deliğine sahiptir.
H0'ı belirlemek için Blakeslee, MASSIVE araştırmasında her galaksi için 45 ila 90 dakikalık HST gözlem süresine dayalı olarak 43 galaksinin SBF mesafelerini hesapladı. Diğer 20 tanesi, özellikle Tip Ia süpernovalarının tespit edildiği büyük galaksileri görüntülemek için HST kullanan başka bir anketten geldi.
63 galaksinin çoğu 8 ila 12 milyar yaşında, bu da SBF yönteminin anahtarı olan ve aynı zamanda mesafe hesaplamalarının hassasiyetini artırmak için de kullanılabilen büyük bir eski kırmızı yıldız popülasyonu içerdikleri anlamına geliyor. Makalede Blakeslee, hem Cepheid değişken yıldızlarını hem de bir galaksideki en parlak kırmızı dev yıldızları kullanan bir tekniği (kırmızı dev dalın ucu veya TRGB tekniği olarak anılır) kullanarak büyük mesafelerden galaksilere tırmanmak için kullandı. Tutarlı sonuçlar ürettiler. TRGB tekniği, galaksilerdeki en parlak kırmızı devlerin aynı mutlak parlaklığa sahip olduğu gerçeğini hesaba katar.
"Amaç, SBF'ler için kırmızı dev bir dal kalibrasyonu elde etmek için James Webb Uzay Teleskobu'nu kullanarak bu SBF yöntemini Cepheid ile kalibre edilmiş Tip Ia süpernova yönteminden tamamen bağımsız hale getirmektir" dedi.
Ma, "James Webb teleskopu, SBF için hata çubuklarını gerçekten azaltma potansiyeline sahip," diye ekledi. Ancak şimdilik, Hubble sabitinin iki uyumsuz ölçüsü birbiriyle yaşamayı öğrenmek zorunda kalacak.
"H0'ı ölçmek için yola çıkmıyordum; anketimizin harika bir ürünüydü" dedi. "Ama ben bir kozmologum ve bunu büyük bir ilgiyle izliyorum."
Makalenin Blakeslee, Ma ve Jensen ile ortak yazarları, MASSIVE ekibinin lideri Princeton Üniversitesi'nden Jenny Greene ve Tip Ia süpernova üzerinde çalışan ekibe liderlik eden Tucson'daki Arizona Üniversitesi'nden Peter Milne'dir. Çalışma, Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (HST-GO-14219, HST-GO-14654, HST GO-15265) ve Ulusal Bilim Vakfı (AST-1815417, AST-1817100) tarafından desteklenmiştir.
