Med hjälp av två av världens mest kraftfulla rymdteleskop - NASA:s Hubble och ESA:s Gaia - har astronomer gjort de mest exakta mätningarna hittills av universums expansionshastighet. Detta beräknas genom att mäta avstånden mellan närliggande galaxer med hjälp av speciella typer av stjärnor som kallas Cepheidvariabler som kosmiska måttstockar. Genom att jämföra deras inneboende ljusstyrka mätt av Hubble, med sin skenbara ljusstyrka sett från jorden, forskare kan beräkna sina avstånd. Gaia förädlar denna måttstock ytterligare genom att geometriskt mäta avstånden till Cepheid -variabler inom vår Vintergatans galax. Detta gjorde det möjligt för astronomer att mer exakt kalibrera avstånden till Cepheids som ses i yttre galaxer. Upphovsman:NASA, ESA, och A. Feild (STScI)
Med hjälp av kraften och synergin mellan två rymdteleskop, astronomer har gjort den mest exakta mätningen hittills av universums expansionshastighet.
Resultaten ger ytterligare bränsle till felmatchningen mellan mätningar för expansionens hastighet i det närliggande universum, och de avlägsna, uruniversum - innan stjärnor och galaxer ens existerade.
Denna så kallade "spänning" innebär att det kan finnas ny fysik som ligger till grund för universums grundvalar. Möjligheterna inkluderar interaktionsstyrkan för mörk materia, mörk energi är ännu mer exotisk än man tidigare trott, eller en okänd ny partikel i rymdens väv.
Genom att kombinera observationer från NASA:s rymdteleskop Hubble och European Space Agency (ESA) Gaia rymdobservatorium, astronomer förfinade vidare det tidigare värdet för Hubble -konstanten, den hastighet med vilken universum expanderar från big bang för 13,8 miljarder år sedan.
Men eftersom mätningarna har blivit mer exakta, lagets bestämning av Hubble -konstanten har blivit mer och mer i strid med mätningarna från ett annat rymdobservatorium, ESA:s Planck -uppdrag, som kommer med ett annat förutsagt värde för Hubble -konstanten.
Planck kartlade uruniversumet som det bara visade sig 360, 000 år efter big bang. Hela himlen är präglad med signaturen av big bang som är kodad i mikrovågor. Planck mätte storlekarna på krusningarna i denna kosmiska mikrovågsbakgrund (CMB) som producerades av små oegentligheter i big bang -eldboll. De fina detaljerna i dessa krusningar kodar för hur mycket mörk materia och normal materia det finns, universums bana vid den tiden, och andra kosmologiska parametrar.
Dessa mätningar, bedöms fortfarande, låta forskare förutspå hur det tidiga universum sannolikt skulle ha utvecklats till den expansionshastighet vi kan mäta idag. Dock, dessa förutsägelser verkar inte stämma överens med de nya mätningarna i vårt närliggande samtida universum.
"Med tillägget av denna nya Gaia- och Hubble -rymdteleskopdata, vi har nu en allvarlig spänning med Cosmic Microwave Background -data, "sade Planck -teammedlem och ledande analytiker George Efstathiou från Kavli Institute for Cosmology i Cambridge, England, som inte var inblandad i det nya arbetet.
"Spänningen verkar ha vuxit till en fullständig inkompatibilitet mellan våra syn på det tidiga och sena universum, "sa teamledaren och nobelpristagaren Adam Riess från Space Telescope Science Institute och Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland. "Vid denna tidpunkt, uppenbarligen är det inte bara ett grovt fel i någon mätning. Det är som om du förutspådde hur högt ett barn skulle bli från ett tillväxtdiagram och sedan upptäckte att den vuxne han eller hon blev översteg förutsägelsen. Vi är väldigt förbryllade. "
Under 2005, Riess och medlemmar i teamet SHOES (Supernova H0 for the Equation of State) gav sig ut för att mäta universums expansionshastighet med oöverträffad noggrannhet. Under de följande åren, genom att förfina deras tekniker, detta team rakade ner räntemätningens osäkerhet till nivåer utan motstycke. Nu, med kraften från Hubble och Gaia kombinerad, de har minskat den osäkerheten till bara 2,2 procent.
Eftersom Hubble -konstanten behövs för att uppskatta universums ålder, det efterlängtade svaret är ett av de viktigaste siffrorna i kosmologin. Det är uppkallat efter astronomen Edwin Hubble, som för nästan ett sekel sedan upptäckte att universum expanderade enhetligt i alla riktningar - ett fynd som födde modern kosmologi.
Galaxer verkar dra sig tillbaka från jorden i proportion till deras avstånd, vilket betyder att ju längre bort de är, desto snabbare verkar de röra sig bort. Detta är en följd av att rummet utvidgas, och inte ett värde för verklig rymdhastighet. Genom att mäta värdet av Hubble -konstanten över tid, astronomers can construct a picture of our cosmic evolution, infer the make-up of the universe, and uncover clues concerning its ultimate fate.
The two major methods of measuring this number give incompatible results. One method is direct, building a cosmic "distance ladder" from measurements of stars in our local universe. The other method uses the CMB to measure the trajectory of the universe shortly after the big bang and then uses physics to describe the universe and extrapolate to the present expansion rate. Together, the measurements should provide an end-to-end test of our basic understanding of the so-called "Standard Model" of the universe. Dock, the pieces don't fit.
Using Hubble and newly released data from Gaia, Riess' team measured the present rate of expansion to be 73.5 kilometers (45.6 miles) per second per megaparsec. This means that for every 3.3 million light-years farther away a galaxy is from us, it appears to be moving 73.5 kilometers per second faster. Dock, the Planck results predict the universe should be expanding today at only 67.0 kilometers (41.6 miles) per second per megaparsec. As the teams' measurements have become more and more precise, the chasm between them has continued to widen, and is now about four times the size of their combined uncertainty.
Over the years, Riess' team has refined the Hubble constant value by streamlining and strengthening the "cosmic distance ladder, " used to measure precise distances to nearby and far-off galaxies. They compared those distances with the expansion of space, measured by the stretching of light from nearby galaxies. Using the apparent outward velocity at each distance, they then calculated the Hubble constant.
To gauge the distances between nearby galaxies, his team used a special type of star as cosmic yardsticks or milepost markers. These pulsating stars, called Cepheid variables, brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. By comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth, scientists can calculate their distances.
Gaia further refined this yardstick by geometrically measuring the distance to 50 Cepheid variables in the Milky Way. These measurements were combined with precise measurements of their brightnesses from Hubble. This allowed the astronomers to more accurately calibrate the Cepheids and then use those seen outside the Milky Way as milepost markers.
"When you use Cepheids, you need both distance and brightness, " explained Riess. Hubble provided the information on brightness, and Gaia provided the parallax information needed to accurately determine the distances. Parallax is the apparent change in an object's position due to a shift in the observer's point of view. Ancient Greeks first used this technique to measure the distance from Earth to the Moon.
"Hubble is really amazing as a general-purpose observatory, but Gaia is the new gold standard for calibrating distance. It is purpose-built for measuring parallax—this is what it was designed to do, " Stefano Casertano of the Space Telescope Science Institute and a member of the SHOES team added. "Gaia brings a new ability to recalibrate all past distance measures, and it seems to confirm our previous work. We get the same answer for the Hubble constant if we replace all previous calibrations of the distance ladder with just the Gaia parallaxes. It's a crosscheck between two very powerful and precise observatories."
The goal of Riess' team is to work with Gaia to cross the threshold of refining the Hubble constant to a value of only one percent by the early 2020s. Under tiden, astrophysicists will likely continue to grapple with revisiting their ideas about the physics of the early universe.
The Riess team's latest results are published in the July 12 issue of the Astrofysisk tidskrift .
