Trots ett sekel av mätningar, astronomer kan inte komma överens om i vilken takt universum expanderar. En teknik som bygger på att mäta avstånd till en specifik typ av åldrande stjärna i andra galaxer – kallad J-regionen Asymptotic Giant Branch, eller JAGB-metoden – kanske kan hjälpa.

Astrofysikern och doktoranden vid University of Chicago Abigail Lee är huvudförfattare till en ny artikel som analyserade observationer av ljus från en närliggande galax för att validera JAGB-metoden för att mäta kosmologiska avstånd. Denna nya teknik kommer att möjliggöra framtida oberoende avståndsmätningar som kan hjälpa till att svara på en av de största utestående frågorna inom kosmologi:hur snabbt expanderar universum?

"En av de mest spännande frågorna inom kosmologi idag är om det finns ny fysik som saknas i vår nuvarande förståelse av hur universum utvecklas. En aktuell diskrepans i mätningen av Hubble-konstanten kan signalera en ny fysisk egenskap hos universum eller, mer vardagligt, okända mätosäkerheter, sade Wendy L. Freedman, John och Marion Sullivan University professor i astronomi och astrofysik och senior författare på tidningen. "Det finns väldigt få metoder för att mäta avstånd som kan leverera den noggrannhet som krävs. Lee utvecklar denna nya JAGB-metod, vilket visar ett tidigt löfte om att lösa denna diskrepans."

En nyckel till universums historia

Tillbaka 1920, Edwin Hubble, Ph.D."17, märkte först förhållandet mellan en galaxs avstånd och hur snabbt den rörde sig bort från oss. Detta värde, nu känd som Hubble-konstanten, är en nyckelparameter i kosmologiska modeller.

Hubble mätte först denna konstant genom att jämföra galaktiska avstånd och hastighetsmätningar härledda från en specifik typ av stjärna som pulserar regelbundet. Mätningar med direkta metoder som Hubbles har förbättrats avsevärt under decennierna, men de håller inte med metoder som extrapolerar från den kosmiska mikrovågsbakgrunden – ljusrester från det mycket tidiga universum. Denna oenighet kallas Hubble-spänningen, och är en av de mest framträdande frågorna inom modern kosmologi.

En oberoende mätmetod kan hjälpa till att överbrygga klyftan mellan metoder och leda till en mer avgörande bild av Hubble-konstanten mätt direkt från avstånd, sa författarna.

Det är där JAGB-metoden kommer in. Stjärnor i J-regionen Asymptotic Giant Branch är en specifik typ av åldrande jättar som innehåller en betydande mängd kol i sin atmosfär som förs upp till ytan av konvektionsströmmar, ger dem en mycket distinkt färg och ljusstyrka som gör att de kan identifieras i en uppsättning stjärnor i en galax.

"Vi har observerat empiriskt att dessa stjärnor har en känd inneboende ljusstyrka från galax till galax, " sa Lee.

Detta gör dem till de främsta kandidaterna för att vara vad astronomer kallar standardljus. Eftersom den skenbara ljusstyrkan hos en stjärna som observerats beror på både dess avstånd från observatören och dess inneboende ljusstyrka, Att känna till en stjärnas inneboende ljusstyrka kan göra det möjligt för astronomer att sluta sig till dess avstånd.

"Eftersom den här metoden är relativt ny, Målet med detta projekt var att se om det kunde konkurrera med andra avståndsindikatorer i precision och noggrannhet, " sa Lee.

Går till stjärnorna för att kolla

Teamet valde en galax i utkanten av den närmaste gruppen av galaxer, kallas Wolf-Lundmark-Melotte eller WLM, och använde data från observationer med Magellan-teleskopen vid Las Campanas-observatoriet i Chile. Genom att använda ett enda objekt som mål och tillämpa fyra olika oberoende mätmetoder, teamet kunde jämföra JAGB-metodens noggrannhet och precision med tidigare etablerade metoder.

Efter att ha analyserat data på fyra olika sätt, forskare fastställde att JAGB-metoden inte bara är en oberoende kontroll av andra avståndsmätningsmetoder, men att det kräver mindre observationstid – en bristvara bland en gemenskap av astronomer som tävlar om tiden på ett begränsat antal kraftfulla teleskop.

Eftersom JAGB-stjärnor är ljusare än stjärnor som används i andra avståndsmätningar, de kan också ses längre bort, vilket kommer att möjliggöra mer avlägsna kalibreringar än vad som är möjligt med andra metoder. Dessutom, JAGB-stjärnor finns i alla typer av galaxer, i motsats till de pulserande stjärnorna som används av Hubble, som bara finns i den mer begränsade undergruppen av spiralgalaxer och ofta lider av trängsel och betydande störningar från damm.

"Helst kommer vi att få observationstid från rymdteleskopet James Webb och rymdteleskopet Hubble för att använda denna metod för att mäta avstånd till galaxer som är värd för supernovor av typ Ia, " sa Lee. Supernovor av typ Ia används för att mäta mer avlägsna galaxer, men de måste kalibreras med kortare avståndsmätningar med tekniker som JAGB-metoden. "När vi gör det, vi kan inte bara mäta Hubble-konstanten utan också jämföra dessa olika avståndsmetoder för att se om det finns problem med någon av dem."

Oavsett om det är nytt, Oberoende värde för Hubble-konstanten överensstämmer med andra direkta mätmetoder eller så kommer de tidiga universumsmätningarna att belysa denna fråga som länge har förbryllat astronomer och kosmologer.

"Vi har inte ett fast grepp om värdet av Hubble-konstanten, så detta är verkligen viktigt arbete för att hjälpa till att ta itu med ett av de största problemen inom kosmologi just nu, " sa Lee.