Hoe snel breidt het heelal zich uit? Dat is een vraag die astronomen niet nauwkeurig hebben kunnen beantwoorden. Ze hebben een naam voor de expansiesnelheid van het universum: de Hubble-constante of de wet van Hubble. Maar metingen komen steeds weer met verschillende waarden en astronomen debatteren al decennia heen en weer over dit onderwerp.
Het basisidee achter het meten van de Hubble-constante is om naar verre lichtbronnen te kijken, meestal een soort supernovae of variabele sterren die 'standaardkaarsen' worden genoemd, en om de roodverschuiving van hun licht te meten. Maar hoe astronomen het ook doen, ze kunnen geen afgesproken waarde bedenken, alleen een reeks waarden. Een nieuwe studie met quasars en zwaartekrachtlensing zou het probleem kunnen helpen oplossen.
Dat het universum zich uitbreidt, staat niet ter discussie. We weten dit al ongeveer 100 jaar. Het licht van verre sterrenstelsels wordt rood verschoven wanneer ze van ons weggaan, en het meten van die rode verschuiving heeft verschillende waarden opgeleverd voor universele expansie.
"De constante van Hubble verankert de fysieke schaal van het universum."
Simon Birrer, UCLA postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van de studie.
De uitbreidingssnelheid wordt gemeten in kilometers per seconde per Megaparsec, geschreven als (km / s) / Mpc. Dus bijvoorbeeld, iets dat zich uitbreidt met een snelheid van 10 (km / s) / Mpc, betekent dat twee punten in de ruimte 1 megaparsec uit elkaar (het equivalent van 3,26 miljoen lichtjaar) van elkaar weg racen met een snelheid van 10 kilometer per tweede.
Toen het voor het eerst werd ontdekt in de jaren 1920, werd aangenomen dat de uitbreidingssnelheid 625 kps / Mpc was. Maar vanaf de jaren vijftig werd het door beter onderzoek gemeten als minder dan 100 kps / Mpc. In de afgelopen decennia hebben meerdere onderzoeken de uitbreidingssnelheid gemeten en kwamen ze met snelheden tussen ongeveer 67 en 77 kps / Mpc.
Maar de wetenschap accepteert geen reeks antwoorden voor iets dat één waarde zou moeten hebben. Het zou geen wetenschap zijn als dat zo was. Wetenschappers blijven dus verschillende manieren proberen om de Hubble-constante te meten om te zien of ze het goed kunnen doen, omdat de Hubble-constante meer is dan alleen een meting van de uitdijing van het universum.
"De constante van Hubble verankert de fysieke schaal van het universum", zegt Simon Birrer, een UCLA postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van de studie. Zonder een precieze waarde voor de Hubble-constante kunnen astronomen de afmetingen van afgelegen sterrenstelsels, de leeftijd van het heelal of de uitbreidingsgeschiedenis van de kosmos niet nauwkeurig bepalen. Dus het goed doen is een groot probleem.
Een nieuwe studie die zojuist is gepubliceerd in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, probeert een nieuwe methode voor het meten van de Hubble-constante. Het onderzoek wordt geleid door een team van astronomen van UCLA en vertrouwt op verre quasars waarvan het licht gravitatie-lensing ondergaat voordat het de aarde bereikt.
Quasars zijn ultraheldere objecten. Ze worden ook actieve galactische kernen genoemd, omdat wordt gedacht dat ze worden veroorzaakt door superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels. De elektromagnetische straling die ze uitzenden wordt veroorzaakt door de wervelende accretieschijf rond het zwarte gat. Terwijl de materieschijf rond het gat versnelt, stoot het een enorme hoeveelheid energie uit.
Omdat quasars zo helder zijn, zijn ze van grote afstanden te zien. Dit maakt ze niet alleen fascinerende studieobjecten, maar ook nuttig als markeringen voor het bestuderen van de wet van Hubble.
Zwaartekrachtlensing vindt plaats wanneer lichtbronnen van een extreem ver object, quasars in deze studie, een tussenliggend sterrenstelsel tegenkomen voordat het waarnemers op aarde bereikt. De extreme massa van de melkweg is voldoende om het licht te buigen, net zoals een glazen lens dat doet. Het resultaat is een soort 'huis van spiegels'-effect. De afbeelding hieronder laat zien hoe het eruit ziet. De ontdekking van zwaartekrachtlens wordt het meest geassocieerd met Einstein, hoewel het pas in 1979 werd waargenomen.
Deze studie was gericht op dubbele quasars. Een dubbele quasar, ook wel een dubbele quasar genoemd, is niet twee quasars dicht bij elkaar, maar eerder een effect van zwaartekrachtlensing. Met een dubbele quasar wordt hun licht rond een tussenliggend sterrenstelsel gelensd voordat het de aarde bereikt, wat twee beelden van de quasar oplevert. Geen enkele eerdere studie heeft ze gebruikt om te proberen de expansiesnelheid van het universum te bepalen.
Aangezien het licht van de quasar rond het tussenliggende sterrenstelsel is gebogen en twee beelden van dezelfde quasar produceert, biedt het een unieke observatiemogelijkheid. Het licht dat de afzonderlijke beelden van de quasar creëert, reist naar elk beeld een ander pad. Terwijl het licht van de quasar fluctueert, is er een vertraging tussen de flikkering in elk van de twee afbeeldingen.
Door de tijdsvertraging tussen de flikkeringen te meten en door de massa van het tussenliggende sterrenstelsel te kennen, heeft het team de afstanden tussen de aarde, het lensstelsel en de quasar afgeleid. Door de roodverschuivingen van de quasar en de melkweg te kennen, konden de wetenschappers inschatten hoe snel het universum uitdijt.
Deze studie richtte zich op de dubbele quasar genaamd SDSS J1206 + 4332, en was ook gebaseerd op gegevens van de Hubble-ruimtetelescoop, de Gemini en W.M. Keck-observatoria en van het Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, of COSMOGRAIL, netwerk. Het team heeft een aantal jaren dagelijks foto's gemaakt van de dubbele quasar, waardoor ze zeer nauwkeurige metingen van de vertraging tussen flikkeringen hebben gekregen. In combinatie met de andere gegevens gaf het astronomen een van de beste metingen van de Hubble-constante tot nu toe.
"Het mooie van deze meting is dat het zeer complementair is aan en onafhankelijk is van andere", zegt Tommasso Treu, UCLA-hoogleraar natuurkunde en astronomie en de hoofdauteur van de krant.
Dus, hoe snel breidt het uit?
“… Het universum is iets gecompliceerder.
Tommasso Treu, UCLA-hoogleraar natuurkunde en astronomie.
Het team bedacht een waarde voor de Hubble-constante van 72,5 kilometer per seconde per megaparsec. Dit is in lijn met andere metingen waarbij supernova's op afstand werden gebruikt als standaardkaarsen om de Hubble-constante te meten. Maar het is ongeveer 7% hoger dan metingen die afhankelijk zijn van de kosmische magnetronachtergrond om het te meten.
Dit is niet het einde van het debat over de wet van Hubble. Er is nog steeds dat zeurende verschil tussen de meetmethoden. Wat betekent het? 'Als er een echt verschil is tussen die waarden, betekent dit dat het universum een beetje ingewikkelder is', zei Treu. Treu zei ook dat een van de metingen, of zelfs alle drie, onjuist is.
Het team gaat door met hun quasar-lensmeting meetmethode. Ze kijken naar 40 viervoudige quasars om ze hopelijk een nog nauwkeurigere meting van de expansiesnelheid van het heelal te geven.
Bronnen:
- Onderzoekspaper: H0LiCOW - IX. Kosmografische analyse van de dubbel afgebeelde quasar SDSS 1206 + 4332 en een nieuwe meting van de Hubble-constante
- UCLA Persbericht: Dubbel zien kan helpen bij het oplossen van geschillen over hoe snel het universum zich uitbreidt
- H0LiCOW
- Wikipedia-vermelding: de wet van Hubble
