Jak rychle se vesmír rozpíná? Hubble a Gaia se spojily, aby prováděly dosud nejpřesnější měření
Ve 20. letech 20. století Edwin Hubble učinil převratný objev, že vesmír je ve stavu rozpínání. Původně předpovězeno jako důsledek Einsteinova teorie obecné relativity , měření tohoto rozšíření vešlo ve známost jako Hubbleova konstanta . Dnes a s pomocí teleskopů nové generace – jako jsou ty příznačně pojmenované Hubbleův vesmírný dalekohled (HST) – astronomové tento zákon mnohokrát přeměřovali a revidovali.
Tato měření potvrdila, že rychlost expanze se v průběhu času zvýšila, ačkoli vědci si stále nejsou jisti proč. The nejnovější měření byly provedeny mezinárodním týmem pomocíHubble,kteří poté své výsledky porovnali s údaji získanými Evropskou kosmickou agenturou (ESA) Gaiaobservatoř . To vedlo k dosud nejpřesnějším měřením Hubbleovy konstanty, i když otázky ohledně kosmického zrychlení zůstávají.
Studie, která popisuje jejich zjištění, se objevila ve vydání 12. červenceAstrophysical Journal,s názvem ' Standardy cefeid Mléčné dráhy pro měření kosmických vzdáleností a aplikace na Gaia DR2: Důsledky pro Hubbleovu konstantu. Tým za studií zahrnoval členy z Space Telescope Science Institute (STScI), Univerzita Johnse Hopkinse Národní ústav pro astrofyziku (INAF), UC Berkeley, Texas A&M University a Evropská jižní observatoř (ŽE).
Tento obrázek ukazuje tři kroky, které astronomové použili k měření rychlosti rozpínání vesmíru (Hubbleova konstanta) s bezprecedentní přesností. Poděkování: NASA, ESA, A. Feild (STScI) a A. Riess (STScI/JHU)
Od roku 2005 Adam Riess – nositel Nobelovy ceny za profesor z Space Telescope Science Institute a Johns Hopkins University – pracuje na zpřesnění hodnoty Hubbleovy konstanty zefektivněním a posílením „žebříčku kosmické vzdálenosti“. Spolu se svým týmem, tzv Supernova H0 pro stavovou rovnici (SH0ES), úspěšně snížili nejistotu spojenou s rychlostí expanze vesmíru na pouhých 2,2 %
Aby to astronomové rozebrali, tradičně používali k měření vzdáleností ve vesmíru „žebřík kosmické vzdálenosti“. To spočívá ve spoléhání se na značky vzdálenosti jako Proměnné cefeid ve vzdálených galaxiích – pulzujících hvězdách, jejichž vzdálenosti lze odvodit porovnáním jejich vnitřní jasnosti s jejich zdánlivou jasností. Tato měření jsou poté porovnána se způsobem, jakým je světlo ze vzdálených galaxií posunuto do červena, aby se určilo, jak rychle se prostor mezi galaxiemi rozšiřuje.
Z toho je odvozena Hubbleova konstanta. Další metodou, která se používá, je pozorování Kosmické Mikrovlnné Pozadí (CMB) ke sledování expanze kosmu během raného vesmíru – cca. 378 000 let po Velkém třesku – a pak to pomocí fyziky extrapolovat na současnou míru expanze. Společně by tato měření měla poskytnout komplexní měření toho, jak se vesmír v průběhu času rozšiřoval.
Astronomové však již nějakou dobu věděli, že tato dvě měření se neshodují. V předchozí studium Riess a jeho tým provedli měření pomocíHubbleabychom získali hodnotu Hubbleovy konstanty 73 km/s (45,36 mps) na megaparsek (3,3 milionů světelných let). Mezitím výsledky založené na ESA Planckobservatoř (která pozorovala CMB v letech 2009 až 2013) předpověděla, že Hubbleova konstantní hodnota by nyní měla být 67 km/s (41,63 mps) na megaparsek a ne vyšší než 69 km/s (42,87 mps) – což představuje rozdíl 9 %.
Vícebarevný celooblohový obraz mikrovlnné oblohy. Kredit: konsorcia ESA, HFI a LFI
Jak Riess uvedl v nedávné NASA tisková zpráva :
„Zdá se, že napětí přerostlo v plnohodnotnou neslučitelnost mezi našimi pohledy na vesmír raného a pozdního času. V tomto bodě je jasné, že nejde jen o nějakou hrubou chybu v jednom měření. Je to, jako byste předpovídali, jak vysoké dítě bude z růstového grafu, a pak zjistili, že dospělý, kterým se stalo, výrazně překonal předpověď. Jsme velmi zmateni.'
V tomto případě Riess a jeho kolegové použiliHubblek měření jasu vzdálených proměnných cefeid, zatímcoGaiaposkytl informaci o paralaxe – zjevnou změnu polohy objektů na základě různých úhlů pohledu – potřebnou k určení vzdálenosti.GaiaStudie byla také doplněna měřením vzdálenosti k 50 proměnným cefeid v Mléčné dráze, které byly kombinovány s měřením jasu z HST.
To astronomům umožnilo přesněji kalibrovat cefeidy a poté použít ty, které byly pozorovány mimo Mléčnou dráhu, jako značky milníků. Pomocí obouHubbleměření a nově zveřejněná data zGaia,Riess a jeho kolegové byli schopni upřesnit svá měření na současné rychlosti expanze na 73,5 kilometrů (45,6 mil) za sekundu za megaparsek.
Gaia z ESA je v současné době na pětileté misi mapovat hvězdy Mléčné dráhy. Obrazový kredit: ESA/ATG medialab; pozadí: ESO/S. Brunier.
Stefano Casertano z Space Telescope Science Institute a člen týmu SHOES dodal:
„Hubble je jako univerzální observatoř opravdu úžasný, ale Gaia je nový zlatý standard pro kalibraci vzdálenosti. Je speciálně navržen pro měření paralaxy – k tomu byl navržen. Gaia přináší novou schopnost překalibrovat všechny minulé míry vzdálenosti a zdá se, že potvrzuje naši předchozí práci. Stejnou odpověď dostaneme pro Hubbleovu konstantu, pokud všechny předchozí kalibrace žebříku vzdálenosti nahradíme pouze paralaxami Gaia. Je to křížová kontrola mezi dvěma velmi výkonnými a přesnými observatořemi.'
Při pohledu do budoucnosti Riess a jeho tým doufají, že budou pokračovat ve spolupráciGaiatak mohou snížit nejistotu spojenou s hodnotou Hubbleovy konstanty na pouhé 1 % do začátku roku 2020. Mezitím bude rozpor mezi moderními rychlostmi expanze a rychlostmi založenými na CMB i nadále pro astronomy záhadou.
Nakonec to může naznačovat, že v našem vesmíru funguje jiná fyzika, že temná hmota interaguje s normální hmotou jiným způsobem, než jak se vědci domnívají, nebo že temná energie může být ještě exotičtější, než se dříve myslelo. Ať už je příčina jakákoli, je jasné, že vesmír pro nás má stále připravena nějaká překvapení!
Další čtení: NASA