Nya försök att ta reda på hur snabbt universum har expanderat sedan Big Bang, en hastighet som kallas Hubble-konstanten, kan upphäva nuvarande teorier om fysik, enligt vissa forskare.

Professor Grzegorz Pietrzyński vid Nicolaus Copernicus Astronomical Center vid Polska vetenskapsakademin i Warszawa är en vetenskapsman som försöker härleda Hubble-konstanten genom att förbättra beräkningen av nästan omöjligt långt avstånd.

Tanken är att genom att mäta hur långt bort objekt är vid olika tidpunkter, forskare kan räkna ut hur snabbt de rör sig ifrån oss, och därför universums expansionshastighet. Försöker noggrant mäta så stora avstånd, dock, är ingen lätt uppgift.

Prof. Pietrzyńskis mått faller inom intervallet kiloparsek, motsvarar ungefär 3, 262 ljusår eller 30 kvadrilljoner kilometer. Och det är bara det första steget.

"Mitt mål är att mäta geometriska avstånd till närliggande galaxer för att kalibrera cepheider, " sade prof. Pietrzyński, hänvisar till hans projekt CepBin.

Cepheids är en typ av variabel stjärna som pulserar i ljusstyrka, eller ljusstyrka, under en konsekvent tidsperiod. Forskare använder dem för att uppskatta avstånd från jorden i intervallet 100 megaparsecs (en miljard biljoner kilometer).

Det är fortfarande bara en bråkdel av det observerbara universum, vilket kan vara runt 28, 000 megaparsecs i diameter enligt boken Extra dimensioner i rum och tid .

"Genom cepeider kan vi kalibrera (avståndet till) supernovor (stjärnornas explosion). Genom supernovor kan vi nå mycket avlägsna platser i universum och utifrån supernovorna kan vi beräkna Hubble-konstanten, " han sa.

Små fel

Problemet är att med så många länkar, små fel kan göra stor skillnad i slutberäkningen. Olika rymdfarkoster och tekniker har mätt olika Hubble konstantvärden.

"Med den klassiska metoden (med Cepheider och supernovor) har vi en betydligt högre Hubble-konstant jämfört med mätningen från Planck-uppdraget, " sade prof. Pietrzyński, hänvisar till rymdobservatoriet som pågick från 2009 till 2013 och mätte hastigheten från kosmisk bakgrundsstrålning.

Detta är viktigt eftersom det kan betyda att nuvarande teorier om fysik är felaktiga.

"Om detta är sant, det betyder att vi måste ändra all fysik, " han sa.

För att minska osäkerheten, Professor Pietrzyński arbetar med att förfina avståndsmätningen till den närliggande galaxen som kallas det stora magellanska molnet genom att titta på binära stjärnor som förmörkar varandra. Resultaten är lovande. Med hjälp av en vågmätning som kallas interferometri, forskare kan kalibrera stjärnornas vinkeldiameter, som avslöjar avstånd när de kopplas till linjära diametrar.

I sista hand, mer exakta mätningar skulle fastställa det korrekta värdet på Hubble-konstanten – eller avslöja om den har fluktuerat över tiden.

"Vi kan kontrollera hur universums expansion utvecklades. Vi vet att expansionen accelererade åtminstone två gånger, ", sa Prof. Pietrzyński. Han syftade på Big Bang såväl som den Nobelprisbelönta upptäckten att universum för närvarande befinner sig i en fas av accelererad expansion, som är teoretiskt orsakad av en mystisk kraft som kallas mörk energi.

Supernovor

Cepheider ensamma är inte tillräckligt för att urskilja de stora avstånd som behövs för att fungera som en måttstock för universum. För det, kosmologer använder en klass av exploderande stjärnor som kallas supernovor av typ Ia.

Eftersom det inte finns några supernovor i vår galax, forskare använder relativt närliggande Cepheider som det första benet för att uppskatta avståndet till det lilla antalet observerade supernovor.

"Cepheids är ungefär 10, 000 gånger svagare än supernovorna, så den avståndsbro du har från Cepheids och supernovor är väldigt liten, " sa Dr. Mickael Rigault från det franska nationella centret för vetenskaplig forskning.

Dr Rigault arbetar med att förbättra noggrannheten hos supernova -mätningar.

"Problemet är att supernovorna av typ Ia inte alltid är exakt likadana. De kan vara helt olika, och vi vet inte riktigt mekanismen för hur de exploderar, " han sa.

En fråga, till exempel, är att deras ljus kan korsa rymden och absorberas på olika sätt.

"Vi måste se till att hitta ett sätt att se till att ljusstyrkan hos supernovorna vi använder alltid är densamma, " han sa.

För att ta itu med detta, han och hans team av USNAC-projektforskare har använt NASA/ESA rymdteleskop Hubble för att undersöka supernovavärdgalaxer med ultravioletta bilder. Genom att göra det här, de kan mäta mängden damm som finns kvar i supernovans siktlinje och mäta hur sådant damm kan ändra dess ljusstyrka.

Mer exakta mätningar av supernovor, utöver mer exakta Cepheidmätningar, kan också avslöja mer om universums historia, inklusive mörk energis roll.

Detta beror på att ljus som kommer från avlägsna supernovor tar så lång tid att resa till jorden att vi när det kommer hit faktiskt bevittnar händelser som ägde rum för miljarder år sedan.

"Supernovorna, eftersom de är så ljusa ... kan gå mycket djupare (och nå mycket längre tillbaka i avstånd och tid) ... ungefär hälften av universums ålder, " sa Dr. Rigault.

Dock, även när dammet tas med i beräkningen, vissa osäkerheter kvarstår. Till exempel, Dr. Rigault säger, det är svårt att veta om egenskaperna hos stjärnan som exploderar till en supernova påverkar hur ljus den ser ut. Sammansättningen kan också förändras med tiden. "Om detta inte tas med i beräkningen så påverkar det hur vi mäter mörk energi, " han sa.

Beräkningar av mörk energi kan påverka uppskattningar av den kosmologiska konstanten, ett tal föreslagit av Einstein för att mäta mängden energi som finns i själva rymden.

"Vi vet att det inte är dramatiskt fel, men vi nådde det ögonblick då små detaljer spelar roll. Mycket ansträngning för ett litet antal, men denna siffra förändras hela sättet vi ser universum på, " sa Dr. Rigault.

Quasar linser

Ett annat sätt att utmana Cepheid och supernovaavståndsberäkningar är att kontrollera dem mot alternativa metoder. Det säger professor Frédéric Courbin vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz och Dr. Dominique Sluse vid universitetet i Liège, Belgien, håller på med sitt projekt COSMICLENS.

De använder ljus från kvasarer som har gravitationsförvrängts av galaxerna som ligger mellan kvasarerna och jorden. Kvasarer är extremt avlägsna och aktiva galaxer som är tusentals gånger ljusare än vår Vintergatan.

Ljusstrålarna tar olika vägar runt föremålen, vilket resulterar i att de anländer till jorden vid olika tidpunkter.

"Tidsskillnaden, eller tidsfördröjning, är direkt kopplad till Hubble-konstanten, "Sade professor Courbin.

Hans team använder regelbundet teleskop som European Extremely Large Telescope in Chile eller Hubble Space Telescope för att observera kvasarna under månader. De förvandlar de uppmätta tidsfördröjningarna till kosmologiska parametrar.

"Vår metod visar ett värde som överensstämmer med supernovauppskattningarna, sade Prof. Courbin, tillägger att, som prof. Pietrzyńskis upptäckter, det stämmer inte överens med värdet som hittats av Planck-satelliten. "Målet är att sätta det hela på en fast grund."

Denna diskrepans, han sa, "betyder att vi inte helt förstår det kosmologiska pusslet eller att astrofysiker fortfarande har okända felkällor i mätningarna av Hubble-konstanten."