Astronomer som använder NASA:s rymdteleskop Hubble säger att de har passerat en viktig tröskel för att avslöja en diskrepans mellan de två nyckelteknikerna för att mäta universums expansionshastighet. Den färska studien stärker fallet att nya teorier kan behövas för att förklara krafterna som har format kosmos.

En kort sammanfattning:Universum blir större för varje sekund. Utrymmet mellan galaxerna sträcker sig, som en deg som jäser i ugnen. Men hur snabbt expanderar universum? När Hubble och andra teleskop försöker svara på denna fråga, de har stött på en spännande skillnad mellan vad forskare förutspår och vad de observerar.

Hubble-mätningar tyder på en snabbare expansionshastighet i det moderna universum än förväntat, baserat på hur universum såg ut för mer än 13 miljarder år sedan. Dessa mätningar av det tidiga universum kommer från Europeiska rymdorganisationens Planck-satellit. Denna diskrepans har identifierats i vetenskapliga artiklar under de senaste åren, men det har varit oklart om skillnader i mättekniker är skyldiga, eller om skillnaden kan bero på oturliga mätningar.

De senaste Hubble-data minskar möjligheten att avvikelsen bara är en slump till 1 av 100, 000. Detta är en betydande vinst från en tidigare uppskattning, mindre än ett år sedan, med en chans på 1 av 3, 000.

Dessa mest exakta Hubble-mätningar hittills stärker idén om att ny fysik kan behövas för att förklara obalansen.

"Hubble-spänningen mellan det tidiga och sena universum kan vara den mest spännande utvecklingen inom kosmologi på decennier, " sa ledande forskare och nobelpristagare Adam Riess från Space Telescope Science Institute (STScI) och Johns Hopkins University, i Baltimore, Maryland. "Denna oöverensstämmelse har ökat och har nu nått en punkt som verkligen är omöjlig att avfärda som en slump. Denna skillnad kan inte troligen uppstå av en slump."

Dra åt bultarna på den "kosmiska distansstegen"

Forskare använder en "kosmisk distansstege" för att avgöra hur långt bort saker är i universum. Denna metod beror på att man gör noggranna mätningar av avstånd till närliggande galaxer och sedan flyttar man till galaxer längre och längre bort, använder sina stjärnor som milstolpar. Astronomer använder dessa värden, tillsammans med andra mätningar av galaxernas ljus som rodnar när det passerar genom ett sträckande universum, att beräkna hur snabbt kosmos expanderar med tiden, ett värde som kallas Hubble-konstanten. Riess och hans team SH0ES (Supernovae H0 for the Equation of State) har varit på jakt sedan 2005 för att förfina dessa avståndsmätningar med Hubble och finjustera Hubble-konstanten.

I denna nya studie, astronomer använde Hubble för att observera 70 pulserande stjärnor som kallas Cepheidvariabler i det stora magellanska molnet. Observationerna hjälpte astronomerna att "återbygga" avståndsstegen genom att förbättra jämförelsen mellan dessa cepheider och deras mer avlägsna kusiner i supernovornas galaktiska värdar. Riesss team minskade osäkerheten i deras konstanta Hubble-värde till 1,9 % från en tidigare uppskattning på 2,2 %.

I takt med att lagets mätningar har blivit mer exakta, deras beräkning av Hubble-konstanten har förblivit i strid med det förväntade värdet som härrör från observationer av det tidiga universums expansion. Dessa mätningar gjordes av Planck, som kartlägger den kosmiska mikrovågsbakgrunden, en relik efterglöd från 380, 000 år efter big bang.

Måtten har granskats noggrant, så astronomer kan för närvarande inte avfärda gapet mellan de två resultaten som på grund av ett fel i någon enskild mätning eller metod. Båda värdena har testats på flera sätt.

"Detta är inte bara två experiment som inte är överens, ", förklarade Riess. "Vi mäter något fundamentalt annorlunda. Det ena är ett mått på hur snabbt universum expanderar idag, som vi ser det. Den andra är en förutsägelse baserad på det tidiga universums fysik och på mätningar av hur snabbt det borde expandera. Om dessa värden inte överensstämmer, det blir en mycket stor sannolikhet att vi saknar något i den kosmologiska modellen som förbinder de två epokerna."

Hur den nya studien gjordes

Astronomer har använt Cepheidvariabler som kosmiska måttstockar för att mäta närliggande intergalaktiska avstånd i mer än ett sekel. Men att försöka skörda ett gäng av dessa stjärnor var så tidskrävande att det nästan var omöjligt. Så, teamet använde en smart ny metod, kallas DASH (Drift And Shift), använder Hubble som en "peka-och-skjut"-kamera för att ta snabba bilder av de extremt ljusa pulserande stjärnorna, vilket eliminerar det tidskrävande behovet av exakt pekning.

"När Hubble använder exakt pekande genom att låsa fast vid ledstjärnor, den kan bara observera en Cepheid per varje 90-minuters Hubble-omlopp runt jorden. Så, det skulle bli mycket kostsamt för teleskopet att observera varje Cepheid, " förklarade teammedlemmen Stefano Casertano, även av STScI och Johns Hopkins. "Istället, vi sökte efter grupper av cepheider tillräckligt nära varandra för att vi skulle kunna flytta mellan dem utan att omkalibrera teleskopets pekande. Dessa Cepheider är så ljusa, vi behöver bara observera dem i två sekunder. Denna teknik tillåter oss att observera ett dussin cepheider under en omloppsbana. Så, vi stannar på gyroskopkontroll och fortsätter att "DASH" runt mycket snabbt."

Hubble-astronomerna kombinerade sedan sitt resultat med en annan uppsättning observationer, gjord av Araucaria-projektet, ett samarbete mellan astronomer från institutioner i Chile, USA., och Europa. Denna grupp gjorde avståndsmätningar till det stora magellanska molnet genom att observera ljusets dämpning när en stjärna passerar framför sin partner i förmörkande binära stjärnsystem.

De kombinerade mätningarna hjälpte SH0ES-teamet att förfina cepheidernas verkliga ljusstyrka. Med detta mer exakta resultat, laget kunde sedan "dra åt bultarna" på resten av distansstegen som sträcker sig djupare ut i rymden.

Den nya uppskattningen av Hubble-konstanten är 74 kilometer (46 miles) per sekund per megaparsek. Det betyder att för varje 3,3 miljoner ljusår längre bort är en galax från oss, det verkar röra sig 74 kilometer (46 miles) per sekund snabbare, som ett resultat av universums expansion. Siffran indikerar att universum expanderar med en 9% snabbare hastighet än förutsägelsen på 67 kilometer (41,6 miles) per sekund per megaparsek, som kommer från Plancks observationer av det tidiga universum, tillsammans med vår nuvarande förståelse av universum.

Så, vad kan förklara denna diskrepans?

En förklaring till bristen på överensstämmelse involverar ett oväntat uppträdande av mörk energi i det unga universum, som nu tros utgöra 70% av universums innehåll. Föreslog av astronomer vid Johns Hopkins, teorin kallas "tidig mörk energi, " och antyder att universum utvecklades som en treakters pjäs.

Astronomer har redan antagit att mörk energi existerade under de första sekunderna efter big bang och drev materia genom rymden, starta den första expansionen. Mörk energi kan också vara orsaken till universums accelererade expansion idag. Den nya teorin antyder att det fanns en tredje episode av mörk energi inte långt efter den stora smällen, som expanderade universum snabbare än astronomer hade förutspått. Förekomsten av denna "tidiga mörka energi" kan förklara spänningen mellan de två konstanta värdena för Hubble, sa Riess.

En annan idé är att universum innehåller en ny subatomär partikel som färdas nära ljusets hastighet. Sådana snabba partiklar kallas gemensamt för "mörk strålning" och inkluderar tidigare kända partiklar som neutrinos, som skapas vid kärnreaktioner och radioaktiva sönderfall.

Ännu en attraktiv möjlighet är att mörk materia (en osynlig form av materia som inte består av protoner, neutroner, och elektroner) interagerar starkare med normal materia eller strålning än vad som tidigare antagits.

Men den sanna förklaringen är fortfarande ett mysterium.

Riess har inget svar på detta irriterande problem, men hans team kommer att fortsätta att använda Hubble för att minska osäkerheterna i Hubble-konstanten. Deras mål är att minska osäkerheten till 1 %, vilket borde hjälpa astronomer att identifiera orsaken till avvikelsen.

Teamets resultat har godkänts för publicering i The Astrofysisk tidskrift .