De Webb-ruimtetelescoop meet de uitdijingssnelheid van het heelal

Gecombineerde waarnemingen van NASA’s NIRCam (Near Infrared Camera) en NASA’s WFC3 (Wide Field Camera 3) camera tonen spiraalstelsel NGC 5584, 72 miljoen lichtjaar van de aarde. Tot de heldere sterren in NGC 5584 behoren pulsars die Cepheid-variabelen worden genoemd, en een Type Ia-supernova, een speciale klasse van exploderende sterren. Astronomen gebruiken Cepheid-variabelen en Type Ia-supernova’s als betrouwbare afstandsmarkeringen om de uitdijingssnelheid van het universum te meten. Beeldbron: NASA, ESA, CSA en A. Riess (STScI)

Hubble-spanning verwijst naar het verschil tussen de waargenomen en verwachte uitdijingssnelheid van het universum. de James Webb-ruimtetelescoop Herziet metingen die hij eerder heeft gedaan Hubble-ruimtetelescoop. Ondanks de vooruitgang blijven er vragen bestaan ​​over de snelle uitdijing van het heelal en mogelijke onderliggende kosmische verschijnselen.

De snelheid waarmee het universum uitdijt, bekend als de constante van Hubble, is een van de fundamentele criteria voor het begrijpen van de evolutie en het uiteindelijke lot van het universum. Er bestaat echter een hardnekkig verschil dat de ‘Hubble-spanning’ wordt genoemd en dat verschijnt tussen de waarde van de constante gemeten door een breed scala aan onafhankelijke afstandsindices en de verwachte waarde ervan. de grote explosie schemering.

NASADe James Webb-ruimtetelescoop biedt nieuwe mogelijkheden om enkele van de sterkste observationele bewijzen voor deze spanning te onderzoeken en te verfijnen. Nobelprijswinnaar Adam Ries van de Johns Hopkins Universiteit en het Space Telescope Science Institute presenteert het recente werk van hem en zijn collega’s waarbij hij Webb-waarnemingen gebruikt om de nauwkeurigheid van lokale metingen van de Hubble-constante te verbeteren.

De kosmologische meetuitdaging

“Heb je ooit moeite gehad om een ​​merkteken te zien dat zich aan de rand van je gezichtsveld bevond? Wat zegt het? Wat betekent het? Zelfs met de krachtigste telescopen lijken de ’tekens’ die astronomen willen lezen zo klein dat we er moeite mee hebben , te.”

“Het teken dat kosmologen willen lezen is het teken van de kosmische snelheidslimiet die ons vertelt hoe snel het universum uitdijt – een getal dat de Hubble-constante wordt genoemd. Ons teken staat geschreven in de sterren in verre sterrenstelsels. De helderheid van sommige sterren in Die sterrenstelsels vertellen ons hoe ver ze verwijderd zijn, en dus hoeveel tijd dat licht heeft afgelegd.’ Om ons te bereiken vertellen de roodverschuivingen van sterrenstelsels ons hoeveel het heelal in die periode uitdijde, en daarmee de uitdijing. een gemiddelde.

Deze kaart toont de gecombineerde kracht van NASA’s Hubble- en Webb-ruimtetelescopen bij het bepalen van precieze afstanden tot een speciale klasse van veranderlijke sterren die worden gebruikt om de uitdijingssnelheid van het universum te kalibreren. Deze veranderlijke Cepheid-sterren worden gezien in dichtbevolkte sterrenvelden. Lichtvervuiling door omringende sterren kan het meten van de helderheid van Cepheid minder nauwkeurig maken. Dankzij het scherpere infraroodzicht van Webb kan het Cepheid-doel duidelijker worden geïsoleerd van omringende sterren, zoals te zien aan de rechterkant van het diagram. De gegevens van Webb bevestigen de nauwkeurigheid van dertig jaar Hubble-waarnemingen van Cepheïden, die cruciaal waren bij het bepalen van de onderste trede van de kosmische afstandsschaal voor het meten van de uitdijingssnelheid van het universum. Aan de linkerkant wordt NGC 5584 weergegeven in een samengesteld beeld van Webb NIRCam (Near Infrared Camera) en Hubble’s Wide Field Camera 3. Beeldcredits: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

“Een bepaalde klasse sterren, de Cepheid-variabelen, geeft ons al meer dan een eeuw de meest nauwkeurige afstandsmetingen, omdat deze sterren buitengewoon helder zijn: het zijn gigantische sterren, honderdduizend keer de helderheid van de zon. Bovendien pulseren ze ( dat wil zeggen, uitzetten en krimpen in grootte) over een periode van weken, wat hun relatieve helderheid aangeeft. Hoe langer de periode, hoe intrinsiek helderder ze zijn. Het is het gouden standaardinstrument voor het meten van afstanden tussen sterrenstelsels van honderd miljoen lichtjaar of verder weg, en is een cruciale stap bij het bepalen van de Hubble-constante. Helaas zijn sterren in sterrenstelsels vanuit ons verre gezichtspunt in een klein gebied bij elkaar geclusterd, dus het ontbreekt ons vaak aan de resolutie om ze te scheiden van hun buren in de gezichtslijn.

Hubble’s bijdrage en Webb’s ontwikkelingen

“De belangrijkste rechtvaardiging voor het bouwen van de Hubble-ruimtetelescoop was het oplossen van dit probleem. Vóór de lancering van Hubble in 1990 en de daaropvolgende Cepheid-metingen was de uitdijingssnelheid van het universum zo onzeker dat astronomen niet zeker wisten of het universum gedurende 10 miljard of 20 miljard jaar uitdijde. miljard jaar. Dit komt omdat een snellere uitdijing zal leiden tot een jongere leeftijd van het universum, en een lagere uitdijing zal leiden tot een oudere leeftijd van het universum. Hubble heeft een betere zichtbare golflengteresolutie dan welke telescoop dan ook op de grond, omdat hij bevindt zich boven de vage effecten van de aardatmosfeer en kan daardoor individuele Cepheid-variabelen identificeren in sterrenstelsels die verder weg zijn, op meer dan honderd miljoen lichtjaar afstand, en het tijdsinterval meten waarin de helderheid verandert.

“We moeten echter ook Cepheid-sterren in het nabij-infrarode deel van het spectrum observeren om het licht te zien dat ongedeerd door het tussenliggende stof gaat. (Het stof absorbeert en verstrooit blauw optisch licht, waardoor verre objecten zwak lijken en ons aan het denken zetten. ze zijn verder weg dan zij.) Helaas is Hubble’s zicht op rood licht niet zo scherp als blauw licht, dus het Cepheid-sterrenlicht dat we daar zien, is vermengd met andere sterren in zijn gezichtsveld. We kunnen de gemiddelde hoeveelheid vermenging berekenen , Statistisch gezien, op dezelfde manier waarop een arts uw gewicht berekent door het gemiddelde gewicht van kleding af te trekken van de schaalwaarde, maar dit zorgt voor verwarring bij de metingen. De kleding van sommige mensen is zwaarder dan die van anderen.

“Scherpe infraroodvisie is echter een van de superkrachten van de James Webb-ruimtetelescoop. Met zijn grote spiegel en gevoelige optiek kan hij Cepheid-licht gemakkelijk scheiden van nabijgelegen sterren, met weinig vermenging. In Webb’s eerste jaar van operaties met ons waarnemersprogramma In In 1685 verzamelden we waarnemingen van Cepheïden gevonden door Hubble in twee stappen langs wat bekend staat als de kosmische afstandsladder. De eerste stap omvat het observeren van Cepheïden in een sterrenstelsel met een bekende geometrische afstand die ons in staat stelt de werkelijke helderheid van Cepheïden te kalibreren. programma is dit sterrenstelsel NGC 4258. De tweede stap is het observeren van de Cepheïden in de gaststelsels van recente Type Ia-supernova’s. Door de eerste twee stappen te combineren, wordt kennis over de afstand tot de supernova’s overgedragen om hun ware helderheid te kalibreren. De derde stap is het observeer die verre supernova’s waar de uitdijing van het universum duidelijk is en kan worden gemeten door afstanden te vergelijken die zijn afgeleid van de helderheid en roodverschuivingen van supernova-sterrenstelsels. Deze reeks stappen staat bekend als de afstandsladder.

“We hebben onlangs de eerste Webb-metingen uit stap 1 en 2 verkregen, waardoor we de afstandsladder kunnen voltooien en deze kunnen vergelijken met eerdere metingen met behulp van Hubble (zie figuur). De metingen van Webb hebben de ruis in Cepheid-metingen aanzienlijk verminderd vanwege de nauwkeurigheid van het observatorium op bijna -infrarode golflengten. Dit soort verbeteringen is waar astronomen van dromen! We hebben tijdens de eerste twee stappen meer dan 320 cepheid-sterren waargenomen. We hebben bevestigd dat eerdere metingen met de Hubble-ruimtetelescoop nauwkeurig waren, zij het luidruchtiger. We hebben ook vier supernova-gastheren waargenomen met behulp van Webb, we zagen een soortgelijk resultaat voor de hele steekproef.

Vergelijk de relaties tussen de Cepheid-periode en de helderheid die wordt gebruikt om afstanden te meten. De rode stippen zijn van NASA’s Webb en de grijze stippen zijn van NASA’s Hubble. Het bovenste paneel is gewijd aan NGC 5584, de gastheer van de supernova van het type Ia, met een inzet met afbeeldingsstempels van dezelfde Cepheid die door elke telescoop wordt gezien. Het onderste paneel is voor NGC 4258, een sterrenstelsel met een bekende geometrische afstand, waarbij de inzet het verschil in afstandscoëfficiënten tussen NGC 5584 en NGC 4258 laat zien, zoals gemeten met elke telescoop. De twee telescopen komen uitstekend overeen. Afbeelding tegoed: NASA, ESA, A. Riess (STScI) en G. Anand(STScI)

Het voortdurende mysterie van Hubble-spanning

“Wat de resultaten nog niet hebben verklaard, is waarom het universum zo snel uitdijt! Dat kan wel trots De uitdijingssnelheid van het heelal door zijn ontluikende beeld te observeren Kosmische microgolfachtergrond, dan gebruiken we ons beste model van hoe het in de loop van de tijd groeit om ons te vertellen hoe snel het universum vandaag de dag zou moeten uitdijen. Het feit dat de huidige maatstaf voor de expansiesnelheid de verwachtingen dramatisch overtreft, is een tien jaar lang probleem dat ‘Hubble jitter’ wordt genoemd. De meest opwindende mogelijkheid is dat stress het bewijs is van iets dat we missen in ons begrip van het universum.

“Dit zou kunnen duiden op de aanwezigheid van exotische donkere energie, exotische donkere materie, een herziening van ons begrip van de zwaartekracht, of het bestaan ​​van een uniek deeltje of veld. De meest eenvoudige verklaring is dat meerdere meetfouten in dezelfde richting samenzweren (de astronomen Eén fout werd uitgesloten door gebruik te maken van onafhankelijke stappen). Daarom is het zo belangrijk om de metingen nauwkeuriger te herhalen. Nu Webb de metingen van Hubble bevestigt, leveren de metingen van Webb het sterkste bewijs tot nu toe dat systematische fouten in Hubble’s Cepheid-fotometrie geen significante rol spelen in Hubble’s metingen. Het resultaat is dat de meest waarschijnlijke interesse op tafel ligt en het gespannen mysterie zich verdiept.

Dit bericht belicht gegevens van A papier Wat al eerder is geaccepteerd Astrofysisch tijdschrift.

Referentie: “Geen drukte meer: ​​nauwkeurigheid van de Hubble-constante getest door observaties met hoge resolutie van Cepheid-objecten met de James Webb-ruimtetelescoop” door Adam J. Rees, Gagandeep S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Proval, Dan Skolnick, Marshall Perrin en Richard I. Anderson, aanvaardden, Astrofysisch tijdschrift.
arXiv:2307.15806

Auteur: Adam Ries is de Bloomberg Distinguished Professor aan de Johns Hopkins University, de Thomas G. Barber Professor of Space Studies aan de JHU Krieger School of Arts and Sciences, een vooraanstaand astronoom aan het Space Telescope Science Institute, en de ontvanger van de Nobelprijs van 2011 Prijs voor natuurkunde.