Universum expanderar men astrofysiker är inte säkra på exakt hur snabbt den expansionen sker – inte för att det inte finns några svar, utan snarare för att de svar de kunde ge inte överensstämmer.

Nu, Simon Birrer, en postdoktor vid Stanford University och Kavli Institute for Particle Physics and Astrophysics vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, och ett internationellt team av forskare har ett nytt svar som kan, en gång förfinad med mer data, hjälpa till att lösa debatten.

Det nya svaret är resultatet av att återbesöka en decennier gammal metod som kallas tidsfördröjningskosmografi med nya antaganden och ytterligare data för att härleda en ny uppskattning av Hubble-konstanten, ett mått på universums expansion. Birrer och kollegor publicerade sina resultat den 20 november i tidskriften Astronomi och astrofysik .

"Det är en fortsättning på en stor och framgångsrik decennielång insats av ett stort team, med en återställning av vissa nyckelaspekter av vår analys, sa Birrer, och en påminnelse om att "vi alltid bör ompröva våra antaganden. Vårt senaste arbete är exakt i denna anda."

Distans, hastighet och ljud

Kosmologer har vetat i nästan ett sekel att kosmos expanderar, och under den tiden har de bestämt sig för två huvudsakliga sätt att mäta den expansionen. En metod är den kosmiska avståndsstegen, en serie steg som hjälper till att uppskatta avståndet till supernovor på långt avstånd. Genom att undersöka ljusspektrumet från dessa supernovor, forskare kan beräkna hur snabbt de drar sig undan oss, dividera sedan med avstånd för att uppskatta Hubble-konstanten. (Hubble-konstanten mäts vanligtvis i kilometer per sekund per megaparsek, återspeglar det faktum att själva utrymmet växer, så att mer avlägsna föremål drar sig undan från oss snabbare än föremål som är närmare.)

Astrofysiker kan också uppskatta konstanten från krusningar i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, eller CMB. Dessa krusningar är resultatet av ljudvågor som färdas genom plasma i det tidiga universum. Genom att mäta krusningarnas storlek kan de sluta sig till hur länge sedan och hur långt bort CMB-ljuset vi ser idag skapades. Med utgångspunkt i väletablerad kosmologisk teori, forskare kan sedan uppskatta hur snabbt universum expanderar.

Båda tillvägagångssätten, dock, har nackdelar. Ljudvågsmetoder är mycket beroende av hur ljud färdades i det tidiga universum, vilket i sin tur beror på den speciella blandningen av materialtyper vid den tidpunkten, på hur långa ljudvågor reste innan de lämnade sitt avtryck på CMB, och på antaganden om universums expansion sedan den tiden. Under tiden, kosmiska distansstegemetoder kedjar samman en serie uppskattningar, börjar med radaruppskattningar av avståndet till solen och parallaxuppskattningar av avståndet till pulserande stjärnor som kallas cepheider. Det introducerar en kedja av kalibreringar och mätningar, var och en måste vara tillräckligt exakt och noggrann för att säkerställa en tillförlitlig uppskattning av Hubble-konstanten.

En lins från förr

Men det finns ett sätt att mäta avstånd mer direkt, baserat på vad som kallas starka gravitationslinser. Tyngdkraften böjer själva rumtiden och med den tar ljusets väg genom kosmos. Ett speciellt fall är när ett mycket massivt föremål, som en galax, böjer ljuset från ett avlägset föremål runt så att ljuset når oss längs flera olika vägar, skapar effektivt flera bilder av samma bakgrundsobjekt. Ett särskilt vackert exempel är när det avlägsna föremålet varierar över tiden — till exempel, som ansamling av supermassiva svarta hål, kända som kvasarer, do. Eftersom ljuset färdas lite olika lång tid längs varje bana runt linsgalaxen, resultatet är flera lite osynkroniserade bilder med samma flimmer.

Detta fenomen är mer än bara vackert. Tillbaka på 1960-talet, studenter av Einsteins gravitationsteori, allmän relativitetsteori, visade att de kunde använda starka gravitationslinser och ljuset de böjer för att mer direkt mäta kosmiska avstånd – om de kunde mäta den relativa timingen längs varje bana tillräckligt exakt och om de visste hur materia i linsgalaxen var fördelad.

Under det senaste decenniet, Birrer sa, mätningarna blev tillräckligt exakta för att använda denna metod, tidsfördröjning kosmografi, från idé till verklighet. Successiva mätningar och en dedikerad insats av H0LiCOW, COSMOGRAIL, STEG, och SHARP-team, nu under den gemensamma paraplyorganisationen TDCOSMO, kulminerade i en exakt Hubble-konstantmätning på cirka 73 kilometer per sekund per megaparsek med en precision på 2 %. Det stämmer överens med uppskattningar gjorda med den lokala distansstegemetoden, men i spänning med de kosmiska mikrovågsbakgrundsmätningarna under de vanliga kosmologiska modellens antaganden.

Galaxens massfördelningsantaganden

Men något stämde inte rätt med Birrer:modellerna av galaxstrukturer som tidigare studier förlitade sig på kanske inte var tillräckligt exakta för att dra slutsatsen att Hubble-konstanten skilde sig från uppskattningar baserade på den kosmiska mikrovågsbakgrunden. "Jag gick till mina kollegor och sa:"Jag vill göra en studie som inte förlitar sig på dessa antaganden, sa Birrer.

I deras ställe, Birrer föreslog att man skulle undersöka en rad ytterligare gravitationslinser för att göra en mer observationsbaserad uppskattning av linsgalaxernas massa och struktur för att ersätta tidigare antaganden. Den nya avenyn Birrer och teamet, TDCOSMO, företag som medvetet hölls blinda – vilket betyder att hela analysen utfördes utan att veta det resulterande resultatet på Hubble-konstanten – för att undvika experimenterares partiskhet, ett förfarande som fastställts redan i de tidigare analyserna av teamet och en integrerad del i att gå vidare, sa Birrer.

Baserat på denna nya analys med betydligt färre antaganden tillämpade på de sju linsgalaxerna med tidsfördröjningar som teamet har analyserat i tidigare studier, laget kom fram till ett högre värde på Hubble-konstanten, cirka 74 kilometer per sekund per megaparsek, men med större osäkerhet – tillräckligt för att deras värde överensstämde med både höga och låga uppskattningar av Hubble-konstanten.

Dock, när Birrer och TDCOSMO lade till ytterligare 33 linser med liknande egenskaper – men utan en variabel källa för att fungera för tidsfördröjningskosmografi direkt – som användes för att uppskatta galaktisk struktur, Hubbles konstanta uppskattning gick ner till cirka 67 kilometer per sekund per megaparsek, med 5 % osäkerhet, i god överensstämmelse med uppskattningar av ljudvågor som den från CMB, men också statistiskt överensstämmande med de tidigare bestämningarna, med tanke på osäkerheterna.

Denna betydande förändring betyder inte att debatten om Hubble-konstantens värde är över – långt därifrån, sa Birrer. För en sak, hans metod introducerar ny osäkerhet i uppskattningen associerad med de 33 ytterligare linserna som läggs till i analysen, och TDCOSMO kommer att behöva mer data för att bekräfta sina resultat, även om den informationen kanske inte ligger långt in i framtiden. Birrer:"Medan vår nya analys inte statistiskt ogiltigförklarar massprofilantagandena i vårt tidigare arbete, det visar vikten av att förstå massfördelningen inom galaxer, " han sa.

"Vi samlar nu in data som gör det möjligt för oss att få tillbaka det mesta av den precision vi tidigare hade uppnått baserat på starkare antaganden. Ser vi längre fram kommer vi också att ha bilder från många fler linsgalaxer från Rubin Observatory Legacy Survey of Space och Dags att dra nytta av för att förbättra våra uppskattningar. Vår nuvarande analys är bara det första steget och banar vägen för att använda dessa kommande datamängder för att ge en definitiv slutsats om det återstående problemet."