Kosmiczne szkła powiększające dają niezależne pomiary ekspansji Wszechświata
Zespół astronomów, wykorzystując dane z kosmicznego teleskopu Hubble’a, teleskopu Subaru oraz innych obserwatoriów, zmierzył tempo ekspansji Wszechświata przy użyciu techniki całkowicie niezależnej od jakiejkolwiek poprzedniej metody.
Znajomość dokładnej wartości tempa ekspansji Wszechświata jest ważna dla określenia wieku, rozmiaru i losu kosmosu. Odkrywanie tej tajemnicy było jednym z największych wyzwań w astrofizyce w ostatnich latach. Nowe badanie stanowi dowód na to, że do wyjaśnienia odkryć naukowców mogą być potrzebne nowe teorie.
Wyniki naukowców dodatkowo wzmacniają niepokojącą rozbieżność między szybkością ekspansji, zwaną stałą Hubble'a, obliczoną na podstawie pomiarów lokalnego Wszechświata, a tempem przewidywanym na podstawie promieniowania tła we wczesnym Wszechświecie, jeszcze zanim galaktyki i gwiazdy powstały.
Ta najnowsza wartość reprezentuje najbardziej precyzyjny jak dotąd pomiar metodą soczewkowania grawitacyjnego, w którym grawitacja galaktyki na pierwszym planie działa jak olbrzymie szkło powiększające, wzmacniające i zniekształcające światło z obiektów tła. W badaniach tych naukowcy wykorzystali fizykę soczewkowania grawitacyjnego do obliczenia tempa rozszerzania się Wszechświata.
Zespół astronomów, który dokonał nowych pomiarów stałej Hubble’a, nazywa się H0LiCOW (H0 Lenses in COSMOGRAIL's Wellspring). COSMOGRAIL to skrót od Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, dużego międzynarodowego projektu, którego celem jest monitorowanie soczewek grawitacyjnych.
Wartość stałej Hubble’a zespołu jest zbliżona do pomiarów ekspansji uzyskanych dzięki poprzednim technikom obserwacyjnym, które zostały znacznie udoskonalone w ciągu ostatnich trzech dekad.
H0LiCOW i inne ostatnie pomiary sugerują szybsze tempo ekspansji we Wszechświecie lokalnym, niż oczekiwano na podstawie obserwacji satelity Planck dotyczących tego, jak zachowywał się kosmos ponad 13 mld lat temu.
Przepaść pomiędzy tymi dwiema wartościami ma ważne implikacje dla zrozumienia podstawowych parametrów fizycznych Wszechświata i może wymagać nowej fizyki, aby uwzględnić niedopasowanie.
„Jeżeli te wyniki się nie zgadzają, może to być wskazówką, że jeszcze nie w pełni rozumiemy, jak materia i energia ewoluowały w czasie, w szczególności na początku” – powiedziała liderka zespołu H0LiCOW, Sherry Suyu z Max Planck Institute for Astrophysics w Niemczech, Politechnika w Monachium oraz Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics w Tajpej na Tajwanie.
Jak tego dokonali?
Zespół H0LiCOW wykorzystał teleskop Hubble’a do obserwacji światła z sześciu odległych kwazarów, świetlnych reflektorów z gazu krążącego wokół supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk. Są idealnymi obiektami tła, ponieważ są jasne, bardzo odległe i rozsiane po całym niebie. Teleskop obserwował, jak światło z każdego kwazara zostało zwielokrotnione na cztery obrazy przez grawitację masywnej galaktyki na pierwszym planie.
Promienie światła z każdego soczewkowanego kwazara mają nieco inną ścieżkę w przestrzeni kosmicznej, aby dotrzeć do Ziemi. Długość ścieżki zależy od ilości materii, która zniekształca przestrzeń wzdłuż pola widzenia do kwazara. Aby prześledzić każdą ścieżkę, astronomowie monitorują migotanie światła kwazara, gdy czarna dziura pochłania materię. Kiedy światło migocze, każdy soczewkowany obraz rozjaśnia się w innym czasie.
Ta migocząca sekwencja pozwala badaczom mierzyć opóźnienia czasowe między każdym obrazem, gdy soczewkowane światło przemieszcza się wzdłuż swojej ścieżki do Ziemi. Aby w pełni zrozumieć te opóźnienia, zespół po raz pierwszy wykorzystał Hubble’a do stworzenia dokładnych map rozkładu materii w każdej galaktyce soczewkującej. Astronomowie mogli wówczas wiarygodnie wnioskować odległości od galaktyki do kwazara oraz od Ziemi do galaktyki i kwazara tła. Porównując te wartości odległości, naukowcy zmierzyli tempo ekspansji Wszechświata.
„Długość każdego opóźnienia czasowego wskazuje, jak szybko Wszechświat się rozszerza. Jeżeli opóźnienia są krótsze, Wszechświat rozszerza się w szybszym tempie. Jeżeli są dłuższe, tempo ekspansji jest wolniejsze” – powiedział członek zespołu Kenneth Wong z Instytutu Fizyki i Matematyki Wszechświata Uniwersytetu Kavli w Tokio, główny autor najnowszej pracy H0LiCOW.
Naukowcy obliczyli, że wartość stałej Hubble’a wynosi 73 km/s/megaparsek (niepewność 2,4%). Oznacza to, że na każde 3,3 mln lat świetlnych od Ziemi galaktyka wydaje się poruszać się o 73 km/s szybciej, z powodu ekspansji Wszechświata.
Wartość ta znacznie różni się od poprzedniej, która wynosiła 67, wzmacniając napięcie pomiędzy pomiarami stałej Hubble’a współczesnego Wszechświata a wartością przewidywaną na podstawie obserwacji wczesnego Wszechświata.
Zespół H0LiCOW, który rozpoczął działanie w 2012 r. ma teraz obrazy Hubble’a i informacje o opóźnieniu czasowym dla 10 soczewkowanych kwazarów i pośrednich galaktyk soczewkujących. Współpracują z badaczami w dwóch programach nazwie STRIDES (STRong-lensing Insights into Dark Energy Survey), który szuka nowych soczewkowanych układów kwazarów, oraz SHARP (Strong-lensing w programie High Angular Resolution Program), który obrazuje soczewki za pomocą optyki adaptywnej teleskopami Kecka, w celu obserwacji kolejnych 30 układów aby zmniejszyć niepewność z 2,4% do 1%.
Przyszły teleskop Jamesa Webba może pomóc w im osiągnąć ten cel 1% niepewności znacznie szybciej dzięki swojej zdolności do mapowania prędkości gwiazd w galaktyce soczewkującej, co pozwoli astronomom opracować dokładniejsze modele rozkładu materii w galaktyce.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
