I 1920'erne gjorde Edwin Hubble den banebrydende åbenbaring, at universet var i en ekspansionstilstand. Oprindeligt forudsagt som en konsekvens af Einsteins teori om generel relativitet, førte denne bekræftelse til, hvad der blev kendt som Hubbles konstant. I de sikre årtier, og takket være udbredelsen af næste generations teleskoper - som det rigtigt navngivne Hubble-rumteleskop (HST) - er forskere blevet tvunget til at revidere denne lov.
Kort sagt, i de sidste par årtier har evnen til at se længere ud i rummet (og dybere ind i tiden) gjort det muligt for astronomer at foretage mere præcise målinger om, hvor hurtigt det tidlige univers ekspanderede. Og takket være en ny undersøgelse udført ved hjælp af Hubble har et internationalt team af astronomer været i stand til at udføre de mest præcise målinger af universets ekspansionshastighed til dato.
Denne undersøgelse blev foretaget af teamet Supernova H0 for Equation of State (SH0ES), en international gruppe af astronomer, der har været på et forsøg på at forfine nøjagtigheden af Hubble Constant siden 2005. Gruppen ledes af Adam Reiss fra rummet Telescope Science Institute (STScI) og Johns Hopkins University og inkluderer medlemmer fra American Museum of Natural History, Neils Bohr Institute, National Optical Astronomy Observatory og mange prestigefyldte universiteter og forskningsinstitutioner.
Undersøgelsen, der beskriver deres fund for nylig, optrådte i The Astrophysical Journal under titlen “Type Ia Supernova Distances at Redshift> 1,5 fra the Hubble-rumteleskop Multicyklus Treasury Programs: The Early Expansion Rate “. Af hensyn til deres undersøgelse og i overensstemmelse med deres langsigtede mål forsøgte teamet at konstruere en ny og mere nøjagtig "afstandstige".
Dette værktøj er, hvordan astronomer traditionelt har målt afstande i universet, som består af at stole på afstandsmarkører som Cepheid-variabler - pulserende stjerner, hvis afstande kan udledes ved at sammenligne deres egen lysstyrke med deres tilsyneladende lysstyrke. Disse målinger sammenlignes derefter med den måde, lyset fra afstandsgalakser omdøbes for at bestemme, hvor hurtigt rummet mellem galakser udvides.
Fra dette er Hubble-konstanten afledt. For at bygge deres fjerne stige udførte Riess og hans team parallaxmålinger ved hjælp af Hubbles Wide Field Camera 3 (WFC3) af otte nyanalyserede Cepheid-variable stjerner i Mælkevejen. Disse stjerner er ca. 10 gange længere væk end nogen tidligere undersøgt - mellem 6.000 og 12.000 lysår fra Jorden - og pulserer med længere intervaller.
For at sikre nøjagtighed, der ville tage højde for disse stjerners wobbles, udviklede teamet også en ny metode, hvor Hubble skulle måle en stjerneposition tusind gange pr. Minut hvert halve år i fire år. Holdet sammenlignede derefter lysstyrken for disse otte stjerner med fjernere Cepheider for at sikre, at de kunne beregne afstandene til andre galakser med mere præcision.
Ved hjælp af den nye teknik var Hubble i stand til at fange ændringerne i disse stjerners position i forhold til andre, hvilket forenklede tingene enormt. Som Riess forklarede i en NASA-pressemeddelelse:
”Denne metode giver gentagne muligheder for at måle de ekstremt små forskydninger på grund af parallax. Du måler adskillelsen mellem to stjerner, ikke kun et sted på kameraet, men flere og flere tusinder og reducerer målingerne. ”
Sammenlignet med tidligere undersøgelser var teamet i stand til at udvide antallet af stjerner, der blev analyseret til afstande op til 10 gange længere. Dog var deres resultater i modstrid med dem, der blev opnået af Det Europæiske Rumorganisations (ESA) Planck-satellit, der har målt den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB) - den resterende stråling, der blev skabt af Big Bang - siden den blev udsendt i 2009.
Ved at kortlægge CMB har Planck været i stand til at spore udvidelsen af kosmos under det tidlige universum - circa. 378.000 år efter Big Bang. Plancks resultat forudsagde, at Hubble-konstante værdi nu skulle være 67 kilometer pr. Sekund pr. Megaparsek (3,3 millioner lysår) og ikke kunne være højere end 69 kilometer pr. Sekund pr. Megaparsek.
Baseret på deres sruvey opnåede Riess's hold en værdi på 73 kilometer pr. Sekund pr. Megaparsek, en forskel på 9%. I det væsentlige indikerer deres resultater, at galakser bevæger sig i en hurtigere hastighed end dem, der antydes af observationer af det tidlige univers. Da Hubble-dataene var så præcise, kan astronomer ikke afvise afstanden mellem de to resultater som fejl i en enkelt måling eller metode. Som Reiss forklarede:
”Samfundet kæmper virkelig med at forstå betydningen af dette uoverensstemmelse… Begge resultater er blevet testet adskillige måder, så det udelukker en række uafhængige fejl. det er i stigende grad sandsynligt, at dette ikke er en fejl, men et element i universet. ”
Disse seneste resultater antyder derfor, at en tidligere ukendt styrke eller anden fysik muligvis er på arbejde i universet. Med hensyn til forklaringer har Reiss og hans team tilbudt tre muligheder, som alle har at gøre med de 95% af universet, som vi ikke kan se (dvs. mørk stof og mørk energi). I 2011 blev Reiss og to andre videnskabsfolk tildelt Nobelprisen i fysik for deres opdagelse i 1998, at universet var i en accelereret ekspansionskurs.
I overensstemmelse med det antyder de, at Dark Energy kunne skubbe galakser fra hinanden med stigende styrke. En anden mulighed er, at der er en uopdaget subatomær partikel derude, der ligner en neutrino, men interagerer med normalt stof ved hjælp af tyngdekraft i stedet for subatomiske kræfter. Disse ”sterile neutrinoer” ville rejse tæt på lysets hastighed og kunne samlet kaldes ”mørk stråling”.
Enhver af disse muligheder ville betyde, at indholdet i det tidlige univers var forskelligt og således tvinges til en nytænkning af vores kosmologiske modeller. På nuværende tidspunkt har Riess og kolleger ingen svar, men planlægger at fortsætte med at finjustere deres målinger. Indtil videre har SHoES-teamet reduceret usikkerheden i Hubble Constant til 2,3%.
Dette er i tråd med et af de centrale mål for Hubble-rumteleskopet, som var at hjælpe med at reducere usikkerhedsværdien i Hubble's Constant, som estimater en gang varierede med en faktor 2.
Så mens denne uoverensstemmelse åbner døren til nye og udfordrende spørgsmål, reducerer den også vores usikkerhed betydeligt, når det gælder måling af universet. I sidste ende vil dette forbedre vores forståelse af, hvordan universet udviklede sig, efter at det blev skabt i en brændende katastrofe for 13,8 milliarder år siden.
