Een nieuwe meting zou ons begrip van het universum kunnen veranderen

Het heelal dijt uit, maar met welke snelheid precies? Het antwoord lijkt af te hangen van het feit of je de snelheid van kosmische expansie schat – ook wel de Hubble-constante of H₀—gebaseerd op de echo van de oerknal (de kosmische microgolfachtergrond of CMB) of H₀ Het is rechtstreeks afhankelijk van de sterren en sterrenstelsels van vandaag. Dit probleem, bekend als de Hubble-spanning, heeft astrofysici en kosmologen over de hele wereld verbijsterd.

Een studie van de Stellar Standard Candles and Distances-groep onder leiding van Richard Anderson van het EPFL Institute of Physics voegt een nieuw stukje toe aan de puzzel. Hun onderzoek is gepubliceerd in Astronomie en astrofysica, heeft tot nu toe de meest nauwkeurige kalibratie van Cepheïden-sterren bereikt – een type veranderlijke ster waarvan de helderheid fluctueert over een bepaalde periode – voor afstandsmetingen op basis van gegevens verzameld door de Gaia-missie van de European Space Agency (ESA). Deze nieuwe kalibratie versterkt de Hubble-spanning verder.

Hubble-constante (H₀) is genoemd naar de astrofysicus die dit fenomeen eind jaren twintig samen met Georges Lemaitre ontdekte. Het wordt gemeten in kilometers per seconde per megasec (km/s/Mpc), waarbij 1 Mpc gelijk is aan ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar.

De beste directe maat van H.₀ Het maakt gebruik van een ‘kosmische afstandsschaal’, waarvan de eerste trede wordt ingesteld door de absolute kalibratie van kaviaarhelderheid, nu opnieuw gekalibreerd door de EPFL-studie. Cepheïden daarentegen kalibreren de volgende trede van de ladder en volgen supernova’s – de krachtige explosies van sterren aan het einde van hun leven – de uitdijing van de ruimte zelf.

Deze afstandsschaal, gemeten in supernovae, H.₀voor het Dark Energy Equation of State (SH0ES) team onder leiding van Adam Riess, winnaar van de Nobelprijs voor natuurkunde in 2011, zet H₀ bij 73,0 ± 1,0 km/sec/mpc.

De eerste straling na de oerknal

H₀ Het kan ook worden bepaald door CMB-straling te interpreteren – de alomtegenwoordige microgolfstraling die meer dan 13 miljard jaar geleden overbleef van de oerknal. De meetmethode van het “vroege universum” moet echter uitgaan van het meest gedetailleerde fysieke begrip van hoe het universum is geëvolueerd, waardoor het afhankelijk is van het model. De Planck-satelliet van de European Space Agency (ESA) heeft de meest volledige gegevens over de CMB geleverd en, volgens deze methode, H₀ 67,4 ± 0,5 km/sec/mpc.

De Hubble-spanning geeft deze discrepantie van 5,6 km/sec/miljoen blokken aan, afhankelijk van of de CMB (vroege heelal) of afstandsladdermethode (late heelal) wordt gebruikt. De implicatie, op voorwaarde dat de metingen van beide methoden correct zijn, is dat er iets mis is met het begrip van de natuurkundige basiswetten die het universum beheersen. Dit belangrijke punt onderstreept natuurlijk hoe belangrijk het is dat de methoden van astrofysici betrouwbaar zijn.

De nieuwe EPFL-studie is erg belangrijk omdat het de eerste trede van de afstandsladder versterkt door de kalibratie van Cepheïden als afstandsvolgers te verbeteren. De nieuwe kalibratie stelt ons in feite in staat om astronomische afstanden binnen ± 0,9% te meten, en dit biedt een sterke ondersteuning voor de late entropiemeting. Bovendien hielpen de resultaten van EPFL, in samenwerking met het SH0ES-team, om H.₀ meting, resulterend in verbeterde nauwkeurigheid en grotere betekenis van de Hubble-spanning.

“Onze studie bevestigt de expansiesnelheid van 73 km/s/Mpc, maar wat nog belangrijker is, het biedt ook de meest nauwkeurige en betrouwbare kalibraties van kyphids als afstandsmeetinstrumenten tot nu toe”, zegt Anderson.

“We hebben een methode ontwikkeld die zoekt naar cepheïden die behoren tot sterrenhopen van enkele honderden sterren door te testen of sterren samen door de Melkweg bewegen. Dankzij deze truc kunnen we profiteren van de beste kennis van Gaia-metingen van parallax terwijl we profiteren van de toename Dit heeft ons in staat gesteld om de resolutie van Gaia’s opvattingen tot het uiterste te drijven en biedt de sterkste basis waarop de afstandsladder kan rusten.”

Heroverweeg basisconcepten

Waarom is een verschil van enkele kilometers/seconde/Mpc belangrijk, gezien de enorme schaal van het heelal? “Deze discrepantie is van groot belang”, zegt Anderson.

“Stel dat je een tunnel wilt bouwen door in twee tegenoverliggende zijden van een berg te boren. Als je het type steen goed hebt begrepen en als je berekeningen kloppen, zullen de twee gaten die je boort elkaar in het midden ontmoeten. Maar als ze dat doen niet, dan heb je een fout gemaakt – of je berekeningen zijn verkeerd of je hebt het mis over het type gesteente.

“Dit is wat er gebeurt met de Hubble-constante. Hoe meer bevestiging we krijgen van de nauwkeurigheid van onze berekeningen, hoe meer we concluderen dat de discrepantie betekent dat ons begrip van het universum verkeerd is, dat het universum niet helemaal is wat we dachten dat het was. .”

Tegenspraak heeft vele andere effecten. Het zet vraagtekens bij de grondbeginselen, zoals de exacte aard van donkere energie, temporele continuïteit en zwaartekracht. “Dit betekent dat we de fundamentele concepten die de basis vormen van ons algemene begrip van de natuurkunde, moeten heroverwegen”, zegt Anderson.

Ook op andere terreinen levert de studie van zijn groep een belangrijke bijdrage. “Omdat onze metingen zo nauwkeurig zijn, geven ze ons inzicht in de geometrie van de Melkweg”, zegt Mauricio Cruz Reyes, PhD. Student in de onderzoeksgroep van Anderson en hoofdauteur van de studie. “De hoge-resolutie kalibratie die we hebben ontwikkeld, stelt ons in staat om bijvoorbeeld de grootte en vorm van de Melkweg als een platte schijfstelsel en de afstand tot andere sterrenstelsels beter te bepalen. Ons werk bevestigde ook de betrouwbaarheid van de Gaia-gegevens door vergelijking het met dat van andere telescopen.”