Een rode reuzenster, Camelopardalis, zendt een gasschil uit wanneer een laag helium rond zijn kern begint te smelten. Dergelijke gebeurtenissen helpen wetenschappers te berekenen hoe snel het universum uitdijt. Krediet: Europees Ruimteagentschap/NASA
Een nieuwe analyse door een astronoom van de Universiteit van Chicago heeft de aanhoudende “Hubble-spanning” van het standaardmodel in het reine gebracht.
Ons universum breidt zich uit, maar onze belangrijkste manier om te meten hoe snel die uitdijing plaatsvindt, heeft verschillende antwoorden opgeleverd. In het afgelopen decennium zijn astrofysici geleidelijk in twee kampen verdeeld: een die gelooft dat het verschil significant is en een die denkt dat het te wijten is aan meetfouten.
Als blijkt dat fouten mismatches veroorzaken, bevestigt dit ons basismodel van hoe het universum werkt. Een andere mogelijkheid introduceert een draad die, wanneer eraan wordt getrokken, aangeeft dat er een nieuwe, ontbrekende fundamentele fysica nodig is om het weer aan elkaar te bevestigen. Sinds enkele jaren slingert elk nieuw bewijs van telescopen het argument heen en weer, wat aanleiding geeft tot de zogenaamde “Hubble-spanning”.
Wendy Friedman, een beroemde astronoom en John en Marion Sullivan hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Chicago, deed enkele originele metingen van de uitdijingssnelheid van het heelal die resulteerden in een hogere waarde voor de Hubble-constante. Maar in een nieuwe review paper geaccepteerd Astrofysisch tijdschrift, geeft Friedman een overzicht van de meest recente waarnemingen. Haar conclusie: recente waarnemingen beginnen de leemte op te vullen.
Dit betekent dat er misschien toch geen conflict is, en ons standaardmodel van het universum hoeft niet veel te worden aangepast.
De snelheid waarmee het heelal uitdijt wordt de Hubble-constante genoemd, genaamd UChicago-aluin Edwin Hubble, SB 1910, PhD 1917, die wordt toegeschreven aan de ontdekking van de uitdijing van het heelal in 1929. Wetenschappers willen deze snelheid precies bepalen, omdat de Hubble-constante is gerelateerd aan de leeftijd van het universum en hoe het zich in de loop van de tijd heeft ontwikkeld.
In het afgelopen decennium is er een grote rimpel ontstaan toen de resultaten voor de twee belangrijkste meetmethoden begonnen te verschillen. Maar wetenschappers debatteren nog steeds over de betekenis van de mismatch.
Een manier om de Hubble-constante te meten, is door te kijken naar het zeer zwakke licht dat overblijft na de oerknal, de kosmische microgolfachtergrond. Dit is gedaan in de ruimte en op aarde met behulp van faciliteiten zoals de Antarctic Telescope onder leiding van UChicago. Wetenschappers kunnen deze waarnemingen invoeren in hun ‘standaardmodel’ van het vroege heelal en het op tijd uitvoeren om te voorspellen hoe de Hubble-constante er vandaag uit zou moeten zien; Ze krijgen een antwoord van 67,4 kilometer per seconde per megaparsec.
De andere manier is om naar de sterren en sterrenstelsels in het nabije heelal te kijken en hun afstanden te meten en hoe snel ze van ons weg bewegen. Friedman was tientallen jaren een vooraanstaand expert in deze methode; In 2001 deed haar team een van de meest opmerkelijke metingen met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop om sterren af te beelden die Cepheïden worden genoemd. De waarde die ze vonden was 72. Friedman bleef de Cepheïden in de daaropvolgende jaren meten, waarbij hij elke keer meer telescoopgegevens bekeek. In 2019 publiceerden zij en haar collega’s echter een antwoord op basis van een geheel andere methode met behulp van sterren die rode reuzen worden genoemd. Het idee was om de Cepheïden op een onafhankelijke manier te verifiëren.
Rode reuzen zijn zeer grote, lichtgevende sterren die altijd dezelfde piekhelderheid bereiken voordat ze snel uitsterven. Als wetenschappers de werkelijke of intrinsieke piekhelderheid van de rode reuzen nauwkeurig kunnen meten, kunnen ze vervolgens de afstanden tot hun gastheerstelsels meten, een essentieel maar lastig onderdeel van de vergelijking. De belangrijkste vraag is hoe nauwkeurig deze metingen zijn.
De eerste versie van deze berekening in 2019 maakte gebruik van een enkel heel dichtbij sterrenstelsel om de helderheid van rode reuzensterren te kalibreren. In de afgelopen twee jaar hebben Friedman en haar medewerkers de cijfers voor verschillende sterrenstelsels en sterrengroepen uitgevoerd. “Er zijn nu vier onafhankelijke manieren om de helderheid van een rode reus te kalibreren, en ze komen 1% van elkaar overeen,” zei Friedman. “Dit suggereert voor ons dat dit een heel goede manier is om afstand te meten.”
“Ik wilde echt goed kijken naar zowel de Cepheïden als de rode reuzen. Ik ken hun sterke en zwakke punten heel goed. Ik kwam tot de conclusie dat we geen nieuwe fundamentele fysica nodig hebben om de verschillen in lokale en verre expansiesnelheden. De gegevens voor de nieuwe rode reus lijken consistent.”
Taylor Hoyt, afgestudeerde student aan de Universiteit van Chicago, die metingen verricht van rode reuzensterren in ankerstelsels, voegde toe: “We blijven rode reuzensubsterren op verschillende manieren meten en testen, en ze blijven onze verwachtingen overtreffen.”
De waarde van de Hubble-constante die is verkregen door het team van Friedman op rode reuzen is 69,8 km/s/miljoenste – ongeveer hetzelfde als de waarde die is afgeleid van het kosmische achtergrondexperiment met microgolven. “Er is geen nieuwe fysica vereist”, zei Friedman.
Berekeningen met Cepheïde-sterren geven nog steeds hogere getallen, maar volgens Friedmans analyse is het verschil misschien niet alarmerend. “Cepheid-sterren zijn altijd een beetje luidruchtiger geweest en een beetje ingewikkelder om volledig te begrijpen; het zijn jonge sterren in actieve stervormingsgebieden in sterrenstelsels, en dat betekent dat er potentieel is voor dingen als stof of vervuiling van andere sterren om weg te werpen uw metingen, ‘legde ze uit.
Volgens haar kan het conflict worden opgelost met betere gegevens.
Volgend jaar, wanneer de James Webb Space Telescope naar verwachting wordt gelanceerd, zullen wetenschappers beginnen met het verzamelen van die nieuwe waarnemingen. Friedman en zijn medewerkers hebben al tijd op de telescoop gehad voor een grootschalig programma om meer metingen te doen van zowel Cepheïde reuzensterren als rode reuzensterren. “Webb zal ons een hogere gevoeligheid en nauwkeurigheid geven, en de gegevens zullen heel snel echt beter worden”, zei ze.
Maar in de tussentijd wilde ze de bestaande gegevens van naderbij bekijken, en wat ze ontdekte was dat veel ervan overeenkwamen.
“Zo gaat de wetenschap”, zei Friedman. “Je trapt tegen de banden om te zien of er iets leegloopt, en tot nu toe geen lekke banden.”
Sommige geleerden die voorstander waren van intrinsieke onverenigbaarheid, kunnen teleurgesteld zijn. Maar voor Friedman zijn beide antwoorden opwindend.
“Er is nog steeds ruimte voor nieuwe fysica, maar zelfs als er geen ruimte is voor nieuwe fysica, zal het aantonen dat ons standaardmodel fundamenteel correct is, wat ook een diepgaande conclusie is”, zei ze. “Dit is het interessante aan wetenschap: we weten de antwoorden niet van tevoren. We leren naarmate we verder gaan. Het is echt een opwindende tijd om op dit gebied te zijn. “
Referentie: “Metingen van de Hubble-constante: spanningen in perspectief” door Wendy Friedman, 30 juni 2021, Astrofysisch tijdschrift.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”