Jak szybko rozwija się Wszechświat? To pytanie, na które astronomowie nie byli w stanie odpowiedzieć dokładnie. Mają nazwę szybkości rozszerzania się Wszechświata: stała Hubble'a lub prawo Hubble'a. Ale pomiary wciąż mają różne wartości, a astronomowie debatują nad tym zagadnieniem od dziesięcioleci.
Podstawową ideą pomiaru stałej Hubble'a jest spojrzenie na odległe źródła światła, zwykle rodzaj supernowych lub gwiazd zmiennych zwanych „standardowymi świecami”, i zmierzenie przesunięcia światła czerwonego w ich świetle. Ale bez względu na to, jak robią to astronomowie, nie mogą wymyślić uzgodnionej wartości, a jedynie zakres wartości. Nowe badanie z udziałem kwazarów i soczewkowania grawitacyjnego może pomóc rozwiązać problem.
To, że Wszechświat się rozszerza, nie jest kwestionowane. Znamy to od około 100 lat. Światło z odległych galaktyk przesuwa się na czerwono, gdy oddalają się od nas, i mierząc, że przesunięcie czerwieni wytworzyło różne wartości dla powszechnej ekspansji.
„Stała Hubble'a zakotwicza fizyczną skalę wszechświata”.
Simon Birrer, stypendysta habilitacyjny UCLA i główny autor badania.
Szybkość ekspansji mierzy się w kilometrach na sekundę na megaparsek, zapisaną jako (km / s) / Mpc. Na przykład coś rozwijającego się w tempie 10 (km / s) / Mpc oznacza, że dwa punkty w przestrzeni oddalone o 1 megaparsek (odpowiednik 3,26 miliona lat świetlnych) pędzą od siebie z prędkością 10 kilometrów na druga.
Gdy odkryto ją po raz pierwszy w latach dwudziestych XX wieku, szybkość ekspansji wynosiła 625 kps / Mpc. Jednak od lat 50. XX wieku lepsze badania wykazały, że wynosi ona mniej niż 100 kps / Mpc. W ostatnich kilku dekadach w wielu badaniach zmierzono szybkość ekspansji i uzyskano prędkości od około 67 do 77 kps / Mpc.
Ale nauka nie zaakceptuje szeregu odpowiedzi na coś, co powinno mieć jedną wartość. Gdyby tak było, to nie byłaby nauka. Dlatego naukowcy próbują różnych sposobów mierzenia stałej Hubble'a, aby sprawdzić, czy mogą to zrobić poprawnie, ponieważ stała Hubble'a jest czymś więcej niż tylko pomiarem ekspansji wszechświata.
„Stała Hubble'a zakotwicza fizyczną skalę wszechświata”, powiedział Simon Birrer, doktorant UCLA i główny autor badania. Bez dokładnej wartości stałej Hubble'a astronomowie nie są w stanie dokładnie określić rozmiarów odległych galaktyk, wieku wszechświata ani historii ekspansji kosmosu. Tak więc zrobienie tego dobrze to wielka sprawa.
W nowym badaniu opublikowanym właśnie w „Monthly Notices of Royal Astronomical Society” próbuje się zastosować nową metodę pomiaru stałej Hubble'a. Badania prowadzone są przez zespół astronomów na UCLA i polegają na odległych kwazarach, których światło przechodzi soczewkowanie grawitacyjne, zanim dotrze do Ziemi.
Kwazary to ultra jasne obiekty. Nazywane są również aktywnymi jądrami galaktycznymi, ponieważ uważa się, że są spowodowane przez supermasywne czarne dziury w centrum galaktyk. Promieniowanie elektromagnetyczne, które emitują, jest powodowane przez wirujący dysk akrecyjny wokół czarnej dziury. Gdy dysk materii wokół dziury przyspiesza, emituje ogromną ilość energii.
Ponieważ kwazary są tak jasne, można je zobaczyć z dużej odległości. To czyni je nie tylko fascynującymi przedmiotami badań, ale także przydatnymi jako marker do badania prawa Hubble'a.
Soczewkowanie grawitacyjne zachodzi, gdy źródło światła z bardzo odległego obiektu, kwazary w tym badaniu, napotyka galaktykę, zanim dotrze do obserwatorów na Ziemi. Ekstremalna masa galaktyki wystarcza do zgięcia światła, podobnie jak robi to szklana soczewka. Rezultatem jest rodzaj efektu „domu luster”. Poniższy obraz pokazuje, jak to wygląda. Odkrycie soczewkowania grawitacyjnego jest najściślej związane z Einsteinem, chociaż zaobserwowano go dopiero w 1979 r.
Badanie koncentrowało się na podwójnych kwazarach. Podwójny kwazar, czasem nazywany kwazarem bliźniaczym, to nie dwa kwazary blisko siebie, ale raczej efekt soczewkowania grawitacyjnego. Dzięki podwójnemu kwazarowi ich światło jest soczewkowane wokół galaktyki, która się tam znajduje, zanim dotrze do Ziemi, tworząc dwa obrazy kwazara. Żadne wcześniejsze badanie nie wykorzystało ich do określenia szybkości ekspansji Wszechświata.
Gdy światło z kwazara wygina się wokół galaktyki, tworząc dwa obrazy tego samego kwazara, stwarza wyjątkową okazję do obserwacji. Światło, które tworzy osobne obrazy kwazara, wędruje inną ścieżką do każdego obrazu. Gdy światło z kwazara zmienia się, na każdym z dwóch obrazów występuje opóźnienie między migotaniem.
Mierząc opóźnienie czasowe między migotaniem i znając masę galaktyki pośredniej, zespół wywnioskował odległości między Ziemią, galaktyką soczewkową i kwazarem. Znajomość przesunięć ku czerwieni kwazara i galaktyki pozwoliła naukowcom oszacować, jak szybko wszechświat się rozszerza.
Badanie koncentrowało się na podwójnym kwazara o nazwie SDSS J1206 + 4332, a także opierało się na danych z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, Gemini i W.M. Obserwatoria Kecka oraz sieć Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, czyli COSMOGRAIL, sieć. Zespół spędził kilka lat, robiąc codzienne zdjęcia podwójnego kwazara, co dało im bardzo dokładne pomiary opóźnienia między migotaniami. W połączeniu z innymi danymi dał astronomom jeden z najlepszych jak dotąd pomiarów stałej Hubble'a.
„Piękno tego pomiaru polega na tym, że jest ono bardzo komplementarne i niezależne od innych” - powiedział Tommasso Treu, profesor fizyki i astronomii UCLA oraz starszy autor artykułu.
Jak szybko to się rozwija?
„… Wszechświat jest trochę bardziej skomplikowany.
Tommasso Treu, profesor fizyki i astronomii UCLA.
Zespół opracował wartość stałej Hubble'a 72,5 kilometra na sekundę na megaparsek. Jest to zgodne z innymi pomiarami wykorzystującymi odległe supernowe jako standardowe świece do pomiaru stałej Hubble'a. Jest jednak o około 7% wyższy niż pomiary oparte na Kosmicznym Mikrofalowym Tle do pomiaru.
To nie koniec debaty o prawie Hubble'a. Nadal istnieje ogromna różnica między metodami pomiarowymi. Co to znaczy? „Jeśli istnieje rzeczywista różnica między tymi wartościami, oznacza to, że wszechświat jest nieco bardziej skomplikowany”, powiedział Treu. Treu powiedział również, że jeden z pomiarów, a nawet wszystkie trzy, są błędne.
Zespół będzie trwał przy metodzie pomiaru soczewek kwazarowych. Patrzą na 40 poczwórnych kwazarów, aby mieć nadzieję, że jeszcze dokładniej zmierzą tempo ekspansji Wszechświata.
Źródła:
- Artykuł badawczy: H0LiCOW - IX. Analiza kosmograficzna podwójnie obrazowanego kwazara SDSS 1206 + 4332 i nowy pomiar stałej Hubble'a
- Komunikat prasowy UCLA: Widzenie podwójności może pomóc w rozwiązaniu sporu o szybkość ekspansji wszechświata
- H0LiCOW
- Wpis w Wikipedii: Prawo Hubble'a
