Astronomer har använt NASA:s rymdteleskop Hubble för att göra de mest exakta mätningarna av universums expansionshastighet sedan det beräknades för nästan ett sekel sedan. Intressant nog, resultaten tvingar astronomer att tänka på att de kan se bevis på något oväntat på jobbet i universum.

Det beror på att det senaste Hubble -fyndet bekräftar en tjatande avvikelse som visar att universum expanderar snabbare nu än vad som förväntades från dess bana som ses kort efter big bang. Forskare föreslår att det kan finnas ny fysik för att förklara inkonsekvensen.

"Samhället brottas verkligen med att förstå innebörden av denna skillnad, säger ledande forskare och nobelpristagare Adam Riess från Space Telescope Science Institute (STScI) och Johns Hopkins University, både i Baltimore, Maryland.

Riess team, som inkluderar Stefano Casertano, även av STScI och Johns Hopkins, har använt Hubble under de senaste sex åren för att förfina mätningarna av avstånden till galaxer, använder sina stjärnor som milstolpar. Dessa mätningar används för att beräkna hur snabbt universum expanderar med tiden, ett värde som kallas Hubble -konstanten. Teamets nya studie utökar antalet analyserade stjärnor till avstånd upp till tio gånger längre ut i rymden än tidigare Hubble -resultat.

Men Riess värde förstärker skillnaden med det förväntade värdet som härrör från observationer av det tidiga universums expansion, 378, 000 år efter big bang - den våldsamma händelse som skapade universum för ungefär 13,8 miljarder år sedan. Dessa mätningar gjordes av European Space Agency's Planck -satellit, som kartlägger den kosmiska mikrovågsbakgrunden, en levnad från big bang. Skillnaden mellan de två värdena är cirka 9 procent. De nya Hubble -mätningarna hjälper till att minska risken att skillnaden i värdena är en slump till 1 av 5, 000.

Plancks resultat förutspådde att Hubbles konstanta värde nu borde vara 67 kilometer per sekund per megaparsek (3,3 miljoner ljusår), och kan inte vara högre än 69 kilometer per sekund per megaparsek. Detta betyder att för varje 3,3 miljoner ljusår längre bort är en galax från oss, den går 67 kilometer per sekund snabbare. Men Riess team mätte ett värde av 73 kilometer per sekund per megaparsek, indikerar att galaxer rör sig snabbare än vad som antyds av observationer av det tidiga universum.

Hubble -uppgifterna är så exakta att astronomer inte kan avfärda klyftan mellan de två resultaten som fel i någon enskild mätning eller metod. "Båda resultaten har testats på flera sätt, så uteslutande en rad orelaterade misstag, "Förklarade Riess, "Det är allt mer troligt att detta inte är en bugg utan en funktion i universum."

Förklarar en Vexing -avvikelse

Riess redogjorde för några möjliga förklaringar till felanpassningen, alla relaterade till de 95 procent av universum som är höljt i mörker. En möjlighet är att mörk energi, redan känd för att accelerera kosmos, kan skjuta galaxer ifrån varandra med ännu större - eller växande - styrka. Detta innebär att accelerationen i sig kanske inte har ett konstant värde i universum utan förändras med tiden i universum. Riess delade ett Nobelpris för 1998 års upptäckt av det accelererande universum.

En annan idé är att universum innehåller en ny subatomär partikel som rör sig nära ljusets hastighet. Sådana snabba partiklar kallas kollektivt "mörk strålning" och inkluderar tidigare kända partiklar som neutrinoer, som skapas i kärnreaktioner och radioaktiva sönderfall. Till skillnad från en vanlig neutrino, som samverkar med en subatomär kraft, denna nya partikel skulle bara påverkas av gravitationen och kallas en "steril neutrino".

Ännu en attraktiv möjlighet är den mörka materien (en osynlig materia som inte består av protoner, neutroner, och elektroner) interagerar starkare med normal materia eller strålning än tidigare antaget.

Vilket som helst av dessa scenarier skulle förändra innehållet i det tidiga universum, vilket leder till inkonsekvenser i teoretiska modeller. Dessa inkonsekvenser skulle resultera i ett felaktigt värde för Hubble -konstanten, härledas från observationer av det unga kosmos. Detta värde skulle då stå i strid med antalet som härrör från Hubble -observationerna.

Riess och hans kollegor har ännu inga svar på detta jobbiga problem, men hans team kommer att fortsätta arbeta med att finjustera universums expansionstakt. Än så länge, Riess team, kallade Supernova H0 för statsekvationen (SH0ES), har minskat osäkerheten till 2,3 procent. Innan Hubble lanserades 1990, uppskattningar av Hubble -konstanten varierade med en faktor två. Ett av Hubbles huvudmål var att hjälpa astronomer att minska värdet av denna osäkerhet till ett fel på endast 10 procent. Sedan 2005 har gruppen har varit på jakt efter att förfina Hubble -konstantens noggrannhet till en precision som möjliggör en bättre förståelse av universums beteende.

Bygga en stark distansstege

The team has been successful in refining the Hubble constant value by streamlining and strengthening the construction of the cosmic distance ladder, which the astronomers use to measure accurate distances to galaxies near to and far from Earth. The researchers have compared those distances with the expansion of space as measured by the stretching of light from receding galaxies. They then have used the apparent outward velocity of galaxies at each distance to calculate the Hubble constant.

But the Hubble constant's value is only as precise as the accuracy of the measurements. Astronomers cannot use a tape measure to gauge the distances between galaxies. Istället, they have selected special classes of stars and supernovae as cosmic yardsticks or milepost markers to precisely measure galactic distances.

Among the most reliable for shorter distances are Cepheid variables, pulsating stars that brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. Their distances, därför, can be inferred by comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth.

Astronomer Henrietta Leavitt was the first to recognize the utility of Cepheid variables to gauge distances in 1913. But the first step is to measure the distances to Cepheids independent of their brightness, using a basic tool of geometry called parallax. Parallax is the apparent shift of an object's position due to a change in an observer's point of view. This technique was invented by the ancient Greeks who used it to measure the distance from Earth to the Moon.

The latest Hubble result is based on measurements of the parallax of eight newly analyzed Cepheids in our Milky Way galaxy. These stars are about 10 times farther away than any studied previously, residing between 6, 000 light-years and 12, 000 light-years from Earth, making them more challenging to measure. They pulsate at longer intervals, just like the Cepheids observed by Hubble in distant galaxies containing another reliable yardstick, exploding stars called Type Ia supernovae. This type of supernova flares with uniform brightness and is brilliant enough to be seen from relatively farther away. Previous Hubble observations studied 10 faster-blinking Cepheids located 300 light-years to 1, 600 light-years from Earth.

Scanning the Stars

To measure parallax with Hubble, the team had to gauge the apparent tiny wobble of the Cepheids due to Earth's motion around the Sun. These wobbles are the size of just 1/100 of a single pixel on the telescope's camera, which is roughly the apparent size of a grain of sand seen 100 miles away.

Därför, to ensure the accuracy of the measurements, the astronomers developed a clever method that was not envisioned when Hubble was launched. The researchers invented a scanning technique in which the telescope measured a star's position a thousand times a minute every six months for four years.

The team calibrated the true brightness of the eight slowly pulsating stars and cross-correlated them with their more distant blinking cousins to tighten the inaccuracies in their distance ladder. The researchers then compared the brightness of the Cepheids and supernovae in those galaxies with better confidence, so they could more accurately measure the stars' true brightness, and therefore calculate distances to hundreds of supernovae in far-flung galaxies with more precision.

Another advantage to this study is that the team used the same instrument, Hubble's Wide Field Camera 3, to calibrate the luminosities of both the nearby Cepheids and those in other galaxies, eliminating the systematic errors that are almost unavoidably introduced by comparing those measurements from different telescopes.

"Ordinarily, if every six months you try to measure the change in position of one star relative to another at these distances, you are limited by your ability to figure out exactly where the star is, " Casertano explained. Using the new technique, Hubble slowly slews across a stellar target, and captures the image as a streak of light. "This method allows for repeated opportunities to measure the extremely tiny displacements due to parallax, " Riess added. "You're measuring the separation between two stars, not just in one place on the camera, but over and over thousands of times, reducing the errors in measurement."

The team's goal is to further reduce the uncertainty by using data from Hubble and the European Space Agency's Gaia space observatory, which will measure the positions and distances of stars with unprecedented precision. "This precision is what it will take to diagnose the cause of this discrepancy, " Casertano said.