Att bestämma hur snabbt universum expanderar är nyckeln till att förstå vårt kosmiska öde, men med mer exakta data har en gåta kommit:Uppskattningar baserade på mätningar inom vårt lokaluniversum stämmer inte överens med extrapolationer från eran kort efter Big Bang för 13,8 miljarder år sedan.

En ny uppskattning av den lokala expansionshastigheten - Hubble-konstanten, eller H0 (H-inte)—förstärker den diskrepansen.

Genom att använda en relativt ny och potentiellt mer exakt teknik för att mäta kosmiska avstånd, som använder den genomsnittliga stjärnljusstyrkan inom jättelika elliptiska galaxer som ett steg på avståndsstegen, astronomer beräknar en hastighet — 73,3 kilometer per sekund per megaparsek, ge eller ta 2,5 km/sek/Mpc – det ligger mitt i tre andra bra uppskattningar, inklusive guldstandarduppskattningen från supernovor av typ Ia. Detta betyder att för varje megaparsek—3,3 miljoner ljusår, eller 3 miljarder biljoner kilometer – från jorden, universum expanderar ytterligare 73,3 ±2,5 kilometer per sekund. Genomsnittet från de tre andra teknikerna är 73,5 ±1,4 km/sek/Mpc.

Förbryllande, uppskattningar av den lokala expansionshastigheten baserat på uppmätta fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrunden och, oberoende av, fluktuationer i densiteten av normal materia i det tidiga universum (baryon akustiska svängningar), ge ett helt annat svar:67,4 ±0,5 km/sek/Mpc.

Astronomer är förståeligt nog oroade över denna obalans, eftersom expansionshastigheten är en kritisk parameter för att förstå universums fysik och evolution och är nyckeln till att förstå mörk energi – vilket accelererar universums expansionshastighet och därmed får Hubble-konstanten att förändras snabbare än förväntat med ökande avstånd från Jorden. Mörk energi utgör ungefär två tredjedelar av massan och energin i universum, men är fortfarande ett mysterium.

För den nya uppskattningen, astronomer mätte fluktuationer i ytljusstyrkan hos 63 gigantiska elliptiska galaxer för att bestämma avståndet och ritade avståndet mot hastigheten för var och en för att få H0. Ytljusstyrkefluktuationstekniken (SBF) är oberoende av andra tekniker och har potential att ge mer exakta avståndsuppskattningar än andra metoder inom cirka 100 Mpc från jorden, eller 330 miljoner ljusår. De 63 galaxerna i provet ligger på avstånd från 15 till 99 Mpc, ser tillbaka i tiden bara en bråkdel av universums ålder.

"För att mäta avstånd till galaxer upp till 100 megaparsecs, detta är en fantastisk metod, " sa kosmologen Chung-Pei Ma, Judy Chandler Webb professor i fysikaliska vetenskaper vid University of California, Berkeley, och professor i astronomi och fysik. "Detta är det första papper som sätter ihop en stor, homogen uppsättning data, på 63 galaxer, för målet att studera H-nought med SBF-metoden."

Ma leder den MASSIVA undersökningen av lokala galaxer, som gav data för 43 av galaxerna - två tredjedelar av de som användes i den nya analysen.

Data om dessa 63 galaxer sammanställdes och analyserades av John Blakeslee, en astronom med National Science Foundations NOIRLab. Han är första författare till en artikel som nu godkänts för publicering i The Astrophysical Journal som han skrev tillsammans med kollegan Joseph Jensen från Utah Valley University i Orem. Blakeslee, som leder den vetenskapliga personalen som stödjer NSF:s optiska och infraröda observatorier, är en pionjär när det gäller att använda SBF för att mäta avstånd till galaxer, och Jensen var en av de första att tillämpa metoden vid infraröda våglängder. De två arbetade nära Ma med analysen.

"Hela historien om astronomi är, på sätt och vis, ansträngningen att förstå universums absoluta skala, som sedan berättar om fysiken, " sa Blakeslee, Jag tänker tillbaka på James Cooks resa till Tahiti 1769 för att mäta en transit av Venus så att forskare kunde beräkna solsystemets verkliga storlek. "SBF-metoden är mer allmänt tillämplig på den allmänna populationen av utvecklade galaxer i lokaluniversum, och visst om vi får tillräckligt med galaxer med James Webb Space Telescope, denna metod har potential att ge bästa lokala mätning av Hubble-konstanten."

James Webb rymdteleskop, 100 gånger kraftfullare än Hubble Space Telescope, är planerad att lanseras i oktober.

Jätte elliptiska galaxer

Hubble-konstanten har varit en stridsdel i decennier, ända sedan Edwin Hubble först mätte den lokala expansionshastigheten och kom med ett sju gånger för stort svar, antyder att universum faktiskt var yngre än dess äldsta stjärnor. Problemet, då och nu, ligger i att fastställa platsen för objekt i rymden som ger få ledtrådar om hur långt bort de är.

Astronomer har genom åren tagit stegar upp till större avstånd, börjar med att beräkna avståndet till föremål nära nog att de verkar röra sig något, på grund av parallax, när jorden kretsar runt solen. Variabla stjärnor som kallas Cepheider tar dig längre, eftersom deras ljusstyrka är kopplad till deras variabilitetsperiod, och supernovor av typ Ia tar dig ännu längre, eftersom de är extremt kraftfulla explosioner som, på sin topp, lysa lika starkt som en hel galax. För både Cepheider och Typ Ia supernovor, det är möjligt att räkna ut den absoluta ljusstyrkan utifrån hur de förändras över tiden, och sedan kan avståndet beräknas från deras skenbara ljusstyrka sett från jorden.

Den bästa nuvarande uppskattningen av H0 kommer från avstånd som bestämts av typ Ia supernovaexplosioner i avlägsna galaxer, även om nyare metoder – tidsfördröjningar orsakade av gravitationslinser av avlägsna kvasarer och ljusstyrkan hos vattenmasrar som kretsar kring svarta hål – ger alla ungefär samma antal.

Tekniken som använder fluktuationer i ytljusstyrkan är en av de nyaste och bygger på det faktum att jättelika elliptiska galaxer är gamla och har en konsekvent population av gamla stjärnor - mestadels röda jättestjärnor - som kan modelleras för att ge en genomsnittlig infraröd ljusstyrka över deras yta. Forskarna fick högupplösta infraröda bilder av varje galax med Wide Field Camera 3 på rymdteleskopet Hubble och fastställde hur mycket varje pixel i bilden skilde sig från "genomsnittet" - ju jämnare fluktuationerna över hela bilden, ju längre galaxen är, när korrigeringar görs för fläckar som ljusa stjärnbildande områden, som författarna utesluter från analysen.

Varken Blakeslee eller Ma var förvånade över att expansionshastigheten kom i närheten av de andra lokala mätningarna. Men de är lika förvirrade av den uppenbara konflikten med uppskattningar från det tidiga universum - en konflikt som många astronomer säger betyder att våra nuvarande kosmologiska teorier är felaktiga, eller åtminstone ofullständig.

Extrapolationerna från det tidiga universum är baserade på den enklaste kosmologiska teorin - kallad lambda kall mörk materia, eller ΛCDM – som använder bara några få parametrar för att beskriva universums utveckling. Driver den nya uppskattningen en insats i hjärtat av ΛCDM?

"Jag tror att det skjuter in den insatsen lite mer, " sa Blakeslee. "Men den (ΛCDM) lever fortfarande. Vissa människor tror, angående alla dessa lokala mätningar, (att) observatörerna har fel. Men det blir svårare och svårare att göra det påståendet – det skulle kräva att det finns systematiska fel i samma riktning för flera olika metoder:supernovor, SBF, gravitationslinser, vattenmasrar. Så, när vi får mer oberoende mätningar, den insatsen går lite djupare."

Ma undrar om de osäkerheter astronomerna tillskriver sina mätningar, som återspeglar både systematiska fel och statistiska fel, är för optimistiska, och att de två uppskattningarna kanske fortfarande kan förenas.

"Juryn är ute, " sa hon. "Jag tror att det verkligen ligger i felfälten. Men förutsatt att allas felstaplar inte underskattas, spänningen blir obekväm."

Faktiskt, en av fältets jättar, astronomen Wendy Freedman, publicerade nyligen en studie som fastställde Hubble-konstanten till 69,8 ±1,9 km/sek/Mpc, rullar vattnet ytterligare. Det senaste resultatet från Adam Riess, en astronom som delade 2011 års Nobelpris i fysik för att ha upptäckt mörk energi, rapporterar 73,2 ±1,3 km/sek/Mpc. Riess var en Miller postdoktor vid UC Berkeley när han utförde denna forskning, och han delade priset med UC Berkeley och Berkeley Lab-fysikern Saul Perlmutter.

MASSIVA galaxer

Det nya värdet på H0 är en biprodukt av två andra undersökningar av närliggande galaxer - i synnerhet, Ma's MASSIVA undersökning, som använder rymd- och markbaserade teleskop för att uttömmande studera de 100 mest massiva galaxerna inom cirka 100 Mpc från jorden. Ett stort mål är att väga de supermassiva svarta hålen i mitten av vart och ett.

Att göra det, exakta avstånd behövs, och SBF-metoden är den bästa hittills, Hon sa. MASSIVE undersökningsteamet använde denna metod förra året för att bestämma avståndet till en gigantisk elliptisk galax, NGC 1453, i den södra himmelskonstellationen Eridanus. Att kombinera det avståndet, 166 miljoner ljusår, med omfattande spektroskopiska data från Gemini- och McDonald-teleskopen – som gjorde det möjligt för Ma's doktorander Chris Liepold och Matthew Quenneville att mäta stjärnornas hastigheter nära galaxens centrum – drog de slutsatsen att NGC 1453 har ett centralt svart hål med en massa på nästan 3 miljarder gånger solens.

För att bestämma H0, Blakeslee beräknade SBF-avstånd till 43 av galaxerna i den MASSIVE undersökningen, baserat på 45 till 90 minuters HST-observationstid för varje galax. De andra 20 kom från en annan undersökning som använde HST för att avbilda stora galaxer, specifikt sådana där supernovor av typ Ia har upptäckts.

De flesta av de 63 galaxerna är mellan 8 och 12 miljarder år gamla, vilket innebär att de innehåller en stor population av gamla röda stjärnor, som är nyckeln till SBF-metoden och kan också användas för att förbättra precisionen i avståndsberäkningar. I tidningen, Blakeslee använde både Cepheid variabla stjärnor och en teknik som använder de ljusaste röda jättestjärnorna i en galax – kallad spetsen på den röda jättegrenen, eller TRGB-teknik – för att ta stegar upp till galaxer på stora avstånd. De gav konsekventa resultat. TRGB-tekniken tar hänsyn till det faktum att de ljusaste röda jättarna i galaxer har ungefär samma absoluta ljusstyrka.

"Målet är att göra denna SBF-metod helt oberoende av den Cepheid-kalibrerade supernovametoden av typ Ia genom att använda rymdteleskopet James Webb för att få en röd jätte-grenkalibrering för SBF, " han sa.

"James Webb-teleskopet har potential att verkligen minska felstaplarna för SBF, " tillade mamma. Men för nu, de två disharmoniska måtten på Hubble-konstanten måste lära sig att leva med varandra.

"Jag tänkte inte mäta H0; det var en fantastisk produkt av vår undersökning, " sa hon. "Men jag är en kosmolog och tittar på det här med stort intresse."