Hastigheten med vilken universum expanderar, känd som Hubble-konstanten, är en av de grundläggande parametrarna för att förstå kosmos evolution och slutliga öde.
Emellertid ses en ihållande skillnad, kallad Hubble-spänningen, mellan värdet på konstanten uppmätt med ett brett spektrum av oberoende avståndsindikatorer och dess värde som förutspåtts från efterskenet från Big Bang. NASA/ESA/CSA James Webb-rymdteleskopet har bekräftat att Hubble-rymdteleskopets skarpa öga hade rätt hela tiden, vilket raderade alla kvardröjande tvivel om Hubbles mätningar.
En av de vetenskapliga motiveringarna för att bygga NASA/ESA rymdteleskop Hubble var att använda dess observationsförmåga för att ge ett exakt värde för universums expansionshastighet. Före Hubbles uppskjutning 1990 gav observationer från markbaserade teleskop enorma osäkerheter. Beroende på de värden som härleds för expansionshastigheten kan universum vara mellan 10 och 20 miljarder år gammalt.
Under de senaste 34 åren har Hubble krympt denna mätning till en noggrannhet på mindre än en procent, och delat skillnaden med ett åldersvärde på 13,8 miljarder år. Detta har åstadkommits genom att förfina den så kallade "kosmiska distansstegen" genom att mäta viktiga milstolpar som kallas Cepheid variabla stjärnor.
Hubble-värdet stämmer dock inte överens med andra mätningar som antyder att universum expanderade snabbare efter Big Bang. Dessa observationer gjordes av ESA Planck-satellitens kartläggning av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen - en ritning för hur universum skulle utvecklas struktur efter att det kylts ner från Big Bang.
Den enkla lösningen på dilemmat skulle vara att säga att Hubble-observationerna kanske är felaktiga som ett resultat av att någon felaktighet smyger sig in i dess mätningar av djupa rymdmått.
Sedan kom rymdteleskopet James Webb, vilket gjorde det möjligt för astronomer att krysskolla Hubbles resultat. Webbs infraröda vyer av Cepheider överensstämde med Hubbles optiska ljusdata. Webb bekräftade att Hubble-teleskopets skarpa öga hade rätt hela tiden, vilket raderade alla kvardröjande tvivel om Hubbles mätningar.
Summan av kardemumman är att den så kallade Hubble-spänningen mellan vad som händer i det närliggande universum jämfört med det tidiga universums expansion förblir ett gnagande pussel för kosmologer. Det kan finnas något invävt i rymden som vi ännu inte förstår.
Kräver det ny fysik för att lösa denna diskrepans? Eller är det ett resultat av mätfel mellan de två olika metoderna som används för att bestämma utrymmets expansionshastighet?
Hubble och Webb har nu slagit sig samman för att ta fram definitiva mätningar, vilket främjar fallet att något annat – inte mätfel – påverkar expansionshastigheten.
"Med mätfel negerade, vad som återstår är den verkliga och spännande möjligheten att vi har missförstått universum", säger Adam Riess, fysiker vid Johns Hopkins University i Baltimore. Riess har ett Nobelpris för att ha medupptäckt det faktum att universums expansion accelererar, på grund av ett mystiskt fenomen som nu kallas mörk energi.
Som en krysskontroll bekräftade en första Webb-observation 2023 att Hubbles mätningar av det expanderande universum var korrekta. Men i hopp om att lindra Hubble-spänningen, spekulerade vissa forskare att osynliga fel i mätningen kan växa och bli synliga när vi tittar djupare in i universum. I synnerhet kan stjärnträngning påverka ljusstyrkamätningar av mer avlägsna stjärnor på ett systematiskt sätt.
Teamet SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), ledd av Riess, fick ytterligare observationer med Webb av objekt som är kritiska kosmiska milstolpar, kända som Cepheid variabla stjärnor, som nu kan korreleras med Hubble-data.
"Vi har nu sträckt över hela intervallet av vad Hubble observerade, och vi kan utesluta ett mätfel som orsaken till Hubble-spänningen med mycket hög tillförsikt," sa Riess.
Teamets första Webb-observationer 2023 visade framgångsrikt att Hubble var på rätt väg när det gällde att fastställa troheten för de första stegen på den så kallade kosmiska distansstegen.
Astronomer använder olika metoder för att mäta relativa avstånd i universum, beroende på objektet som observeras. Tillsammans är dessa tekniker kända som den kosmiska distansstegen - varje steg eller mätteknik bygger på föregående steg för kalibrering.
Men vissa astronomer föreslog att när man flyttar utåt längs den "andra stegen" kan den kosmiska avståndsstegen bli skakig om Cepheidmätningarna blir mindre exakta med avståndet. Sådana felaktigheter kan uppstå eftersom ljuset från en Cepheid kan blandas med ljuset från en intilliggande stjärna – en effekt som kan bli mer uttalad med avståndet när stjärnor tränger ihop sig på himlen och blir svårare att skilja från varandra.
Observationsutmaningen är att tidigare Hubble-bilder av dessa mer avlägsna Cepheidvariabler ser mer sammankransade och överlappande med närliggande stjärnor på allt större avstånd mellan oss och deras värdgalaxer, vilket kräver noggrann redovisning av denna effekt. Ingripande damm försvårar ytterligare säkerheten för mätningarna i synligt ljus. Webb skär genom dammet och isolerar naturligt cepheiderna från närliggande stjärnor eftersom dess syn är skarpare än Hubbles vid infraröda våglängder.
"Att kombinera Webb och Hubble ger oss det bästa av två världar. Vi tycker att Hubble-mätningarna förblir tillförlitliga när vi klättrar längre längs den kosmiska avståndsstegen", sa Riess.
De nya Webb-observationerna inkluderar fem värdgalaxer av åtta supernovor av typ Ia som innehåller totalt 1 000 cepheider och når ut till den längsta galaxen där cepheiderna har uppmätts väl – NGC 5468, på ett avstånd av 130 miljoner ljusår.
"Detta spänner över hela området där vi gjorde mätningar med Hubble. Så vi har gått till slutet av andra steget på den kosmiska avståndsstegen", säger medförfattaren Gagandeep Anand från Space Telescope Science Institute i Baltimore, som verkar Webb- och Hubble-teleskopen för NASA.
Tillsammans skapar Hubbles och Webbs bekräftelse av Hubble-spänningen andra observatorier för att möjligen avgöra mysteriet, inklusive NASA:s kommande Nancy Grace Roman Space Telescope och ESA:s nyligen lanserade Euclid-uppdrag.
För närvarande är det som om avståndsstegen som observerats av Hubble och Webb har satt en ankarpunkt på ena stranden av en flod, och efterglöden från Big Bang som Planck observerade från universums början är stadigt placerad på andra sidan . Hur universums expansion förändrades under miljarder år mellan dessa två slutpunkter har ännu inte observerats direkt.
"Vi måste ta reda på om vi saknar något om hur vi kopplar ihop början av universum och nutiden", sa Riess.
Studien publiceras i The Astrophysical Journal Letters .
Mer information: Adam G. Riess et al, JWST Observations Reject Unrecognized Crowding of Cepheid Photometry as an Explanation for the Hubble Tension at 8σ Confidence, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad1ddd
Tillhandahålls av Europeiska rymdorganisationen
