Använder den senaste tekniken och tekniken, ett team av astrofysiker från Clemson University har lagt till en ny metod för att kvantifiera en av universums mest grundläggande lagar.

I en tidning som publicerades i fredags, 8 november, i The Astrophysical Journal , Clemson-forskarna Marco Ajello, Abhishek Desai, Lea Marcotulli och Dieter Hartmann har samarbetat med sex andra forskare runt om i världen för att ta fram en ny mätning av Hubble-konstanten, måttenheten som används för att beskriva universums expansionshastighet.

"Kosmologi handlar om att förstå utvecklingen av vårt universum - hur det utvecklades i det förflutna, vad den gör nu och vad som kommer att hända i framtiden, sa Ajello, en docent vid College of Sciences avdelning för fysik och astronomi. "Vår kunskap vilar på ett antal parametrar – inklusive Hubble-konstanten – som vi strävar efter att mäta så exakt som möjligt. I denna artikel, vårt team analyserade data som erhållits från både kretsande och markbaserade teleskop för att komma fram till en av de senaste mätningarna hittills av hur snabbt universum expanderar."

Konceptet med ett expanderande universum utvecklades av den amerikanske astronomen Edwin Hubble (1889-1953), vem är namne för rymdteleskopet Hubble. I början av 1900-talet, Hubble blev en av de första astronomerna som drog slutsatsen att universum bestod av flera galaxer. Hans efterföljande forskning ledde till hans mest kända upptäckt:att galaxer rörde sig bort från varandra med en hastighet i proportion till deras avstånd.

Hubble uppskattade ursprungligen expansionshastigheten till 500 kilometer per sekund per megaparsek, med en megaparsek motsvarande cirka 3,26 miljoner ljusår. Hubble drog slutsatsen att en galax två megaparsek bort från vår galax gick tillbaka dubbelt så snabbt som en galax bara en megaparsek bort. Denna uppskattning blev känd som Hubble-konstanten, som för första gången bevisade att universum expanderade. Astronomer har omkalibrerat det - med blandade resultat - sedan dess.

Med hjälp av skyhöga teknologier, astronomer kom med mätningar som skilde sig markant från Hubbles ursprungliga beräkningar – vilket saktade ner expansionshastigheten till mellan 50 och 100 kilometer per sekund per megaparsek. Och under det senaste decenniet, ultrasofistikerade instrument, som Planck-satelliten, har ökat precisionen i Hubbles ursprungliga mått på ett relativt dramatiskt sätt.

I en artikel med titeln "A New Measurement of the Hubble Constant and Matter Content of the Universe using Extragalactic Background Light-Gamma Ray Attenuation, " det samarbetsteamet jämförde de senaste gammastrålningsdämpningsdata från Fermi Gamma-ray Space Telescope och Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes för att ta fram sina uppskattningar från extragalaktiska bakgrundsljusmodeller. Denna nya strategi ledde till en mätning på cirka 67,5 kilometer per sekund per megaparsek. .

Gammastrålar är den mest energirika formen av ljus. Extragalaktiskt bakgrundsljus (EBL) är en kosmisk dimma som består av allt ultraviolett, synligt och infrarött ljus som sänds ut av stjärnor eller från damm i deras närhet. När gammastrålar och EBL interagerar, de lämnar ett observerbart avtryck – en gradvis förlust av flöde—som forskarna kunde analysera när de formulerade sin hypotes.

"Det astronomiska samfundet investerar en mycket stor summa pengar och resurser på att göra precisionskosmologi med alla olika parametrar, inklusive Hubble-konstanten, sade Dieter Hartmann, professor i fysik och astronomi. "Vår förståelse av dessa grundläggande konstanter har definierat universum som vi nu känner det. När vår förståelse av lagar blir mer exakt, vår definition av universum blir också mer exakt, som leder till nya insikter och upptäckter."

En vanlig analogi av universums expansion är en ballong prickad med fläckar, där varje fläck representerar en galax. När ballongen sprängs, fläckarna sprider sig längre och längre ifrån varandra.

"Vissa teoretiserar att ballongen kommer att expandera till en viss tidpunkt och sedan kollapsa igen, sade Desai, en forskarassistent vid institutionen för fysik och astronomi. "Men den vanligaste uppfattningen är att universum kommer att fortsätta att expandera tills allt är så långt ifrån varandra att det inte kommer att finnas något mer observerbart ljus. Vid denna tidpunkt, universum kommer att lida en kall död. Men detta är inget för oss att oroa oss för. Om detta händer, det kommer att dröja biljoner år från nu."

Men om ballonganalogin är korrekt, Vad är det, exakt, det är att blåsa upp ballongen?

"Materia - stjärnorna, planeterna, även vi – är bara en liten bråkdel av universums totala sammansättning, " Ajello förklarade. "Den stora majoriteten av universum består av mörk energi och mörk materia. Och vi tror att det är mörk energi som "spränger upp ballongen." Mörk energi driver bort saker från varandra. Allvar, som drar föremål mot varandra, är den starkare kraften på lokal nivå, vilket är anledningen till att vissa galaxer fortsätter att kollidera. Men på kosmiska avstånd, mörk energi är den dominerande kraften."

De andra bidragande författarna är huvudförfattaren Alberto Dominguez från Complutense University of Madrid; Radek Wojtak från Köpenhamns universitet; Justin Finke från Naval Research Laboratory i Washington, D.C.; Kari Helgason vid Islands universitet; Francisco Prada från Instituto de Astrofisica de Andalucia; och Vaidehi Paliya, en tidigare postdoktor i Ajellos grupp vid Clemson som nu är på Deutsches Elektronen-Synchrotron i Zeuthen, Tyskland.

"Det är anmärkningsvärt att vi använder gammastrålar för att studera kosmologi. Vår teknik tillåter oss att använda en oberoende strategi - en ny metodik oberoende av befintliga - för att mäta avgörande egenskaper hos universum, sa Dominguez, som också är tidigare postdoktor i Ajellos grupp. "Våra resultat visar den mognad som uppnåtts under det senaste decenniet av det relativt nya området högenergiastrofysik. Analysen som vi har utvecklat banar väg för bättre mätningar i framtiden med hjälp av Cherenkov Telescope Array, som fortfarande är under utveckling och kommer att bli den mest ambitiösa uppsättningen markbaserade högenergiteleskop någonsin."

Många av samma tekniker som används i det aktuella dokumentet korrelerar med tidigare arbete utfört av Ajello och hans motsvarigheter. I ett tidigare projekt, som förekom i tidskriften Vetenskap , Ajello och hans team kunde mäta allt stjärnljus som någonsin sänts ut i universums historia.

"Vad vi vet är att gammastrålningsfotoner från extragalaktiska källor färdas i universum mot jorden, där de kan absorberas genom att interagera med fotoner från stjärnljus, "Ajello sa. "Hastigheten av interaktion beror på längden som de reser i universum. Och längden som de reser beror på expansion. Om expansionen är låg, de reser en liten sträcka. Om expansionen är stor, de reser mycket långt. Så mängden absorption som vi mätte berodde mycket starkt på värdet av Hubble-konstanten. Vad vi gjorde var att vända detta och använda det för att begränsa universums expansionshastighet."