Var och en av dessa ögonblicksbilder av rymdteleskopet Hubble avslöjar fyra förvrängda bilder av en bakgrundskvasar som omger den centrala kärnan av en massiv galax i förgrunden. De multipla kvasarbilderna producerades av förgrundsgalaxens gravitation, som fungerar som ett förstoringsglas genom att förvränga kvasarens ljus i en effekt som kallas gravitationslinsning. Kvasarer är extremt avlägsna kosmiska gatlyktor som produceras av aktiva svarta hål. Ljusstrålarna från varje linserad kvasarbild tar en något annorlunda väg genom rymden för att nå jorden. Banans längd beror på mängden materia som förvränger rymden längs siktlinjen till kvasaren. För att spåra varje väg, astronomerna övervakar flimrandet av kvasarens ljus när dess svarta hål slukar upp material. När ljuset flimrar, varje linsbild blir ljusare vid olika tidpunkter. Denna flimrande sekvens gör det möjligt för forskare att mäta tidsfördröjningarna mellan varje bild när det linsade ljuset färdas längs sin väg till jorden. Dessa tidsfördröjningsmätningar hjälpte astronomer att beräkna hur snabbt universum växer, ett värde som kallas Hubble-konstanten. Kredit:NASA, ESA, S.H. Suyu (Max Planck Institute for Astrophysics, Münchens tekniska universitet, och Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics), och K.C. Wong (University of Tokyos Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe)
Ett team av astronomer som använder NASA:s rymdteleskop Hubble har mätt universums expansionshastighet med en teknik som är helt oberoende av någon tidigare metod.
Att veta det exakta värdet för hur snabbt universum expanderar är viktigt för att bestämma åldern, storlek, och kosmos öde. Att reda ut detta mysterium har varit en av de största utmaningarna inom astrofysik de senaste åren. Den nya studien lägger till bevis för idén att nya teorier kan behövas för att förklara vad forskare hittar.
Forskarnas resultat förstärker ytterligare en oroande diskrepans mellan expansionshastigheten, kallad Hubble-konstanten, beräknas från mätningar av lokaluniversum och hastigheten som förutspåtts från bakgrundsstrålning i det tidiga universum, en tid innan galaxer och stjärnor ens existerade.
Detta senaste värde representerar den mest exakta mätningen hittills med användning av gravitationslinsmetoden, där gravitationen hos en förgrundsgalax fungerar som en gigantisk förstoringslins, förstärker och förvränger ljus från bakgrundsobjekt. Denna senaste studie förlitade sig inte på den traditionella "kosmiska avståndsstege"-tekniken för att mäta exakta avstånd till galaxer genom att använda olika typer av stjärnor som "milstolpemarkörer". Istället, forskarna använde gravitationslinsernas exotiska fysik för att beräkna universums expansionshastighet.
Astronomiteamet som gjorde de nya Hubble konstantmätningarna kallas H0LiCOW (H0-linser i COSMOGRAILs Wellspring). COSMOGRAIL är förkortningen för Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, ett stort internationellt projekt vars mål är att övervaka gravitationslinser. "Wellspring" hänvisar till det rikliga utbudet av kvasarlinssystem.
Den här grafiken listar olika tekniker som astronomer har använt för att mäta universums expansionshastighet, känd som Hubble-konstanten. Att veta det exakta värdet för hur snabbt universum expanderar är viktigt för att bestämma åldern, storlek, och kosmos öde. Kredit:NASA, ESA, och A. James (STScI)
Forskargruppen härledde H0LiCOW-värdet för Hubble-konstanten genom observations- och analystekniker som har förfinats mycket under de senaste två decennierna.
H0LiCOW och andra nya mätningar tyder på en snabbare expansionshastighet i lokaluniversum än vad som förväntades baserat på observationer från Europeiska rymdorganisationens Planck-satellit av hur kosmos betedde sig för mer än 13 miljarder år sedan.
Klyftan mellan de två värdena har viktiga implikationer för att förstå universums underliggande fysiska parametrar och kan kräva ny fysik för att förklara obalansen.
"Om dessa resultat inte överensstämmer, det kan vara en antydan om att vi ännu inte helt förstår hur materia och energi utvecklades över tiden, speciellt i tidiga tider, " sa H0LiCOW-teamledaren Sherry Suyu från Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland, Münchens tekniska universitet, och Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics i Taipei, Taiwan.
Hur de gjorde det
H0LiCOW-teamet använde Hubble för att observera ljuset från sex avlägsna kvasarer, de lysande strålkastarna från gas som kretsar kring supermassiva svarta hål i galaxernas centrum. Kvasarer är idealiska bakgrundsobjekt av många anledningar; till exempel, de är ljusa, extremt avlägsen, och utspridda över himlen. Teleskopet observerade hur ljuset från varje kvasar multiplicerades till fyra bilder med tyngdkraften hos en massiv förgrundsgalax. De studerade galaxerna är 3 miljarder till 6,5 miljarder ljusår bort. Kvasarernas genomsnittliga avstånd är 5,5 miljarder ljusår från jorden.
Ljusstrålarna från varje linserad kvasarbild tar en något annorlunda väg genom rymden för att nå jorden. Banans längd beror på mängden materia som förvränger rymden längs siktlinjen till kvasaren. För att spåra varje väg, astronomerna övervakar flimrandet av kvasarens ljus när dess svarta hål slukar upp material. När ljuset flimrar, varje linsbild blir ljusare vid olika tidpunkter.
Denna flimrande sekvens gör det möjligt för forskare att mäta tidsfördröjningarna mellan varje bild när det linsade ljuset färdas längs sin väg till jorden. För att till fullo förstå dessa förseningar, teamet använde först Hubble för att göra exakta kartor över fördelningen av materia i varje linsgalax. Astronomer kunde sedan på ett tillförlitligt sätt härleda avstånden från galaxen till kvasaren, och från jorden till galaxen och till bakgrundskvasaren. Genom att jämföra dessa avståndsvärden, forskarna mätte universums expansionshastighet.
"Längden på varje tidsfördröjning anger hur snabbt universum expanderar, " sa teammedlem Kenneth Wong vid University of Tokyos Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, huvudförfattare till H0LiCOW-samarbetets senaste artikel. "Om tidsförseningarna är kortare, då expanderar universum i snabbare takt. Om de är längre, då är expansionshastigheten långsammare."
Tidsfördröjningsprocessen är analog med att fyra tåg lämnar samma station vid exakt samma tid och färdas med samma hastighet för att nå samma destination. Dock, vart och ett av tågen anländer till destinationen vid olika tidpunkter. Det beror på att varje tåg tar en annan väg, och avståndet för varje rutt är inte detsamma. Vissa tåg färdas över kullar. Andra går genom dalar, och ytterligare andra tuffar runt berg. Från de varierande ankomsttiderna, man kan dra slutsatsen att varje tåg åkte olika sträcka för att nå samma hållplats. Liknande, kvasarflimmermönstret visas inte samtidigt eftersom en del av ljuset fördröjs genom att färdas runt kurvor som skapas av gravitationen av tät materia i den mellanliggande galaxen.
Kompassbild av gravitationslinsade kvasarer. Kredit:NASA, ESA, S.H. Suyu (Max Planck Institute for Astrophysics, Münchens tekniska universitet, och Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics), och K.C. Wong (University of Tokyos Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe)
Hur det jämförs
Forskarna beräknade ett Hubble-konstantvärde på 73 kilometer per sekund per megaparsek (med 2,4 % osäkerhet). Detta betyder att för varje ytterligare 3,3 miljoner ljusår bort är en galax från jorden, det verkar röra sig 73 kilometer per sekund snabbare, på grund av universums expansion.
Lagets mätning är också nära Hubble-konstantvärdet på 74 beräknat av Supernova H0 för Equation of State (SH0ES)-teamet, som använde den kosmiska distansstegetekniken. SH0ES-mätningen är baserad på att mäta avstånden till galaxer nära och långt från jorden genom att använda Cepheid variabla stjärnor och supernovor som mätstavar till galaxerna.
SH0ES- och H0LiCOW-värdena skiljer sig markant från Planck-talet på 67, stärka spänningen mellan Hubbles konstanta mätningar av det moderna universum och det förutsagda värdet baserat på observationer av det tidiga universum.
"En av utmaningarna vi övervann var att ha dedikerade övervakningsprogram genom COSMOGRAIL för att få tidsfördröjningar för flera av dessa kvasarlinssystem, " sa Frédéric Courbin från Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, ledare för COSMOGRAIL-projektet.
Suyu tillade:"Samtidigt, nya massmodelleringstekniker utvecklades för att mäta en galax materiafördelning, inklusive modeller vi designat för att använda högupplösta Hubble-bilder. Bilderna gjorde det möjligt för oss att rekonstruera, till exempel, kvasarernas värdgalaxer. Dessa bilder, tillsammans med ytterligare bilder med bredare fält tagna från markbaserade teleskop, låter oss också karakterisera linssystemets miljö, vilket påverkar böjningen av ljusstrålar. De nya massmodelleringsteknikerna, i kombination med tidsförseningar, hjälp oss att mäta exakta avstånd till galaxerna."
Börjades 2012, H0LiCOW-teamet har nu Hubble-bilder och tidsfördröjningsinformation för 10 linserade kvasarer och mellanliggande linsgalaxer. Teamet kommer att fortsätta söka efter och följa upp nya linsade kvasarer i samarbete med forskare från två nya program. Ett program, kallas STRIDES (STRong-linsing Insights into Dark Energy Survey), letar efter nya linserade kvasarsystem. Den andra, kallas SHARP (Strong-linsing at High Angular Resolution Program), använder adaptiv optik med W.M. Keck teleskop för att avbilda linssystemen. Teamets mål är att observera 30 fler linsförsedda kvasarsystem för att minska deras osäkerhet på 2,4 % till 1 %.
NASA:s kommande James Webb rymdteleskop, förväntas lanseras 2021, kan hjälpa dem att uppnå sitt mål på 1 % osäkerhet mycket snabbare genom Webbs förmåga att kartlägga stjärnornas hastigheter i en linsgalax, vilket gör det möjligt för astronomer att utveckla mer exakta modeller av galaxens fördelning av mörk materia.
H0LiCOW-teamets arbete banar också väg för att studera hundratals linsförsedda kvasarer som astronomer upptäcker genom undersökningar som Dark Energy Survey och PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), och den kommande National Science Foundations Large Synoptic Survey Telescope, som förväntas avslöja tusentals ytterligare källor.
Dessutom, NASA:s Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) kommer att hjälpa astronomer att ta itu med oenigheten i Hubbles konstanta värde genom att spåra universums expansionshistoria. Uppdraget kommer också att använda flera tekniker, som att ta prover på tusentals supernovor och andra föremål på olika avstånd, för att avgöra om avvikelsen är ett resultat av mätfel, observationsteknik, eller om astronomer behöver justera teorin från vilken de härleder sina förutsägelser.
Teamet kommer att presentera sina resultat vid det 235:e mötet i American Astronomical Society i Honolulu, Hawaii.
