En ny uppsättning precisionsavståndsmätningar gjorda med en internationell samling radioteleskop har avsevärt ökat sannolikheten för att teoretiker behöver revidera "standardmodellen" som beskriver universums grundläggande natur.

De nya avståndsmätningarna gjorde det möjligt för astronomer att förfina sin beräkning av Hubble-konstanten, universums expansionshastighet, ett värde viktigt för att testa den teoretiska modellen som beskriver universums sammansättning och utveckling. Problemet är att de nya mätningarna förvärrar en diskrepans mellan tidigare uppmätta värden på Hubble-konstanten och värdet som förutspås av modellen när de tillämpas på mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden som gjorts av Planck-satelliten.

"Vi finner att galaxer är närmare än vad som förutspås av standardmodellen för kosmologi, bekräftar ett problem som identifierats i andra typer av avståndsmätningar. Det har diskuterats om detta problem ligger i själva modellen eller i de mätningar som används för att testa den. Vårt arbete använder en avståndsmätningsteknik helt oberoende av alla andra, och vi förstärker skillnaden mellan uppmätta och förutsagda värden. Det är troligt att den grundläggande kosmologiska modellen som är involverad i förutsägelserna är problemet, sa James Braatz, av National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

Braatz leder Megamaser Cosmology Project, ett internationellt försök att mäta Hubble-konstanten genom att hitta galaxer med specifika egenskaper som lämpar sig för att ge exakta geometriska avstånd. Projektet har använt National Science Foundations Very Long Baseline Array (VLBA), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), och Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT), tillsammans med Effelsberg-teleskopet i Tyskland. Teamet rapporterade sina senaste resultat i Astrofysiska tidskriftsbrev .

Edwin Hubble, efter vilken det kretsande rymdteleskopet Hubble är uppkallat, beräknade först universums expansionshastighet (Hubble-konstanten) 1929 genom att mäta avstånden till galaxer och deras recessionshastigheter. Ju längre bort en galax är, desto högre är dess lågkonjunkturhastighet från jorden. I dag, Hubble-konstanten förblir en grundläggande egenskap hos observationskosmologin och ett fokus för många moderna studier.

Att mäta lågkonjunkturhastigheter för galaxer är relativt enkelt. Att bestämma kosmiska avstånd, dock, har varit en svår uppgift för astronomer. För objekt i vår egen Vintergatans galax, astronomer kan få avstånd genom att mäta den skenbara förskjutningen i objektets position när det ses från motsatta sidor av jordens omloppsbana runt solen, en effekt som kallas parallax. Den första sådana mätningen av en stjärnas parallaxavstånd kom 1838.

Bortom vår egen galax, parallaxer är för små för att mäta, så astronomer har förlitat sig på föremål som kallas "standardljus, " så namngiven eftersom deras inneboende ljusstyrka antas vara känd. Avståndet till ett objekt med känd ljusstyrka kan beräknas baserat på hur svagt objektet ser ut från jorden. Dessa standardljus inkluderar en klass av stjärnor som kallas Cepheidvariabler och en specifik typ av stjärnexplosion som kallas en supernova av typ Ia.

En annan metod för att uppskatta expansionshastigheten innebär att observera avlägsna kvasarer vars ljus böjs av gravitationseffekten av en förgrundsgalax till flera bilder. När kvasaren varierar i ljusstyrka, förändringen visas i de olika bilderna vid olika tidpunkter. Mäter denna tidsskillnad, tillsammans med beräkningar av ljusböjningens geometri, ger en uppskattning av expansionshastigheten.

Bestämningar av Hubble-konstanten baserade på standardljusen och de gravitationslinsade kvasarerna har producerat siffror på 73-74 kilometer per sekund (hastigheten) per megaparsek (avstånd i enheter som astronomer gynnar).

Dock, förutsägelser av Hubble-konstanten från den kosmologiska standardmodellen när de tillämpas på mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) – den överblivna strålningen från Big Bang – ger ett värde på 67,4, en betydande och oroande skillnad. denna skillnad, som astronomer säger är bortom de experimentella felen i observationerna, har allvarliga konsekvenser för standardmodellen.

Modellen heter Lambda Cold Dark Matter, eller Lambda CDM, där "Lambda" refererar till Einsteins kosmologiska konstant och är en representation av mörk energi. Modellen delar upp universums sammansättning huvudsakligen mellan vanlig materia, mörk materia, och mörk energi, och beskriver hur universum har utvecklats sedan Big Bang.

Megamaser Cosmology Project fokuserar på galaxer med skivor av vattenbärande molekylär gas som kretsar kring supermassiva svarta hål i galaxernas centrum. Om den kretsande skivan ses nästan på kanten från jorden, ljuspunkter av radiostrålning, kallade masers – radioanaloger till lasrar med synligt ljus – kan användas för att bestämma både den fysiska storleken på skivan och dess vinkelutbredning, och därför, genom geometri, dess avstånd. Projektets team använder den världsomspännande samlingen av radioteleskop för att göra de precisionsmätningar som krävs för denna teknik.

I deras senaste verk, teamet förfinade sina avståndsmätningar till fyra galaxer, på avstånd från 168 miljoner ljusår till 431 miljoner ljusår. I kombination med tidigare avståndsmätningar av två andra galaxer, deras beräkningar gav ett värde för Hubble-konstanten på 73,9 kilometer per sekund per megaparsek.

"Att testa standardmodellen för kosmologi är ett riktigt utmanande problem som kräver de bästa mätningarna av Hubble-konstanten någonsin. Diskrepansen mellan de förutsagda och uppmätta värdena för Hubble-konstanten pekar på ett av de mest grundläggande problemen inom hela fysiken, så vi skulle vilja ha flera, oberoende mätningar som bekräftar problemet och testar modellen. Vår metod är geometrisk, och helt oberoende av alla andra, och det förstärker diskrepansen, sade Dom Pesce, en forskare vid Centrum för Astrofysik | Harvard och Smithsonian, och huvudförfattare på den senaste tidningen.

"Masermetoden för att mäta universums expansionshastighet är elegant, och, till skillnad från de andra, baserat på geometri. Genom att mäta extremt exakta positioner och dynamik hos maserfläckar i ackretionsskivan som omger ett avlägset svart hål, vi kan bestämma avståndet till värdgalaxerna och sedan expansionshastigheten. Vårt resultat från denna unika teknik stärker argumenten för ett nyckelproblem inom observationskosmologi." sa Mark Reid från Center for Astrophysics | Harvard och Smithsonian, och en medlem av Megamaser Cosmology Project-teamet.

"Vår mätning av Hubble-konstanten ligger mycket nära andra senaste mätningar, och statistiskt mycket annorlunda än förutsägelserna baserade på CMB och den vanliga kosmologiska modellen. Allt tyder på att standardmodellen behöver revideras, sa Braatz.

Astronomer har olika sätt att justera modellen för att lösa avvikelsen. Några av dessa inkluderar förändrade antaganden om mörk energis natur, på väg bort från Einsteins kosmologiska konstant. Andra tittar på grundläggande förändringar i partikelfysik, som att ändra antalet eller typer av neutrinos eller möjligheterna till interaktioner mellan dem. Det finns andra möjligheter, ännu mer exotiskt, och för tillfället har forskare inga tydliga bevis för att diskriminera bland dem.

"Detta är ett klassiskt fall av samspelet mellan observation och teori. Lambda CDM-modellen har fungerat ganska bra i flera år, men nu pekar observationer helt klart på ett problem som måste lösas, och det verkar som om problemet ligger i modellen, " sa Pesce.