Hubble erreicht einen neuen Meilenstein im Mysterium der Expansionsrate des Universums

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Das Hubble-Weltraumteleskop der NASA hat einen fast 30-jährigen Marathon absolviert und mehr als 40 „Meilenmarkierungen“ von Raum und Zeit kalibriert, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, die Expansionsrate des Universums genau zu messen – eine Aufgabe, während sich die Handlung entfaltet.

Die Verfolgung der Expansionsrate des Universums begann in den 1920er Jahren mit Messungen der Astronomen Edwin B. Hubble und George Lemaitre. Dies führte 1998 zur Entdeckung der „Dunklen Energie“, einer mysteriösen Antriebskraft, die die Expansion des Universums beschleunigt. In den letzten Jahren haben Astronomen dank Daten von Hubble und anderen Teleskopen eine weitere Entwicklung festgestellt: eine Diskrepanz zwischen der im lokalen Universum gemessenen Expansionsrate im Vergleich zu unabhängigen Beobachtungen kurz nach dem Urknall, die einen anderen Expansionswert vorhersagten.

Der Grund für diese Diskrepanz bleibt ein Rätsel. Aber die Hubble-Daten, die eine Vielzahl von kosmischen Objekten enthalten, die als Entfernungsmarker fungieren, stützen die Idee, dass etwas Seltsames passiert, möglicherweise mit völlig neuer Physik.

“Sie erhalten das genaueste Maß für die Expansionsrate des Universums vom Goldstandard für Teleskope und kosmische Neigungsmarker”, sagte Nobelpreisträger Adam Rees vom Space Telescope Science Institute (STScI) und der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland. .

Riess leitet eine wissenschaftliche Zusammenarbeit zur Untersuchung der Expansionsrate des Universums namens SHOES, was für Supernova, H0, für die dunkle Energiegleichung. „Dafür wurde das Hubble-Weltraumteleskop mit der besten uns bekannten Technologie gebaut“, sagte Reese. „Das ist wahrscheinlich das Hubble Magnum, denn es würde weitere 30 Jahre von Hubbles Leben kosten, um die Größe dieser Probe zu verdoppeln. ” .

Das Papier von Rees’ Team, das in einer Sonderausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht wird, markiert den Abschluss der größten und möglicherweise letzten Aktualisierung der Hubble-Konstante. Die neuen Erkenntnisse mehr als das Doppelte der vorherigen Probe für kosmische Entfernungsmarker. Sein Team analysierte auch alle vorherigen Daten neu, wobei der vollständige Datensatz nun mehr als 1.000 Hubble-Umlaufbahnen umfasst.

Als die NASA in den 1970er Jahren ein großes Weltraumteleskop baute, war ein Hauptgrund für die außergewöhnlichen technischen Kosten und den Aufwand die Fähigkeit, Cepheiden aufzulösen, die periodisch heller und dunkler werdenden Sterne, die in unserer Milchstraße und in äußeren Galaxien zu sehen sind. Cepheiden sind der Goldstandard für kosmische Neigungsmarker, seit die Astronomin Henrietta Swan Leavitt 1912 ihre Nützlichkeit entdeckte. Um viel größere Entfernungen zu berechnen, verwenden Astronomen explodierende Sterne, sogenannte Typ-Ia-Supernovae.

Gemeinsam haben diese Objekte eine „kosmische Distanzleiter“ durch das Universum gebaut, die notwendig ist, um die Expansionsrate des Universums zu messen, die nach Edwin Hubble als Hubble-Konstante bezeichnet wird. Dieser Wert ist entscheidend für die Schätzung des Alters des Universums und stellt einen wesentlichen Test für unser Verständnis des Universums dar.

Unmittelbar nach dem Start von Hubble im Jahr 1990 wurde die erste Reihe von Cepheiden-Sternbeobachtungen zur Verbesserung der Hubble-Konstante von zwei Teams durchgeführt: dem HST-Schlüsselprojekt unter der Leitung von Wendy Friedman, Robert Kennicott, Jeremy Mould, Mark Aaronson und einem anderen von Alan Sandage und Mitarbeiter, die Cepheiden als Orientierungspunkte verwendeten, um die Entfernung zu nahe gelegenen Galaxien besser messen zu können. In den frühen 2000er Jahren erklärten die Teams „Mission erfüllt“, indem sie eine Genauigkeit von 10 Prozent für die Hubble-Konstante erreichten, 72 plus oder minus 8 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

Im Jahr 2005 und erneut im Jahr 2009 startete die Hinzufügung leistungsstarker neuer Kameras an Bord des Hubble-Teleskops die „2. Generation“ der kontinuierlichen Hubble-Suche, bei der sich die Teams daran machten, den Wert auf eine Genauigkeit von nur einem Prozent zu verbessern. Diese wurde von SHOES eröffnet. Mehrere Teams von Astronomen, die Hubble verwenden, einschließlich SHOES, haben sich auf einen Hubble-Konstantenwert von 73 plus oder minus 1 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec geeinigt. Während andere Methoden verwendet wurden, um die Frage der Hubble-Konstante zu untersuchen, sind verschiedene Teams auf Werte gekommen, die nahe an der gleichen Zahl liegen.

Zum SHOES-Team gehören Senior Leaders Dr. Wenlong Yuan von der Johns Hopkins University, Dr. Lucas Macri von der Texas A&M University, Dr. Stefano Casertano von STScI und Dr. Dan Scolnic von der Duke University. Das Projekt soll das Universum eingrenzen, indem es die Genauigkeit der Hubble-Konstante anpasst, die aus der Untersuchung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung abgeleitet wurde, die von der Morgendämmerung des Universums übrig geblieben ist.

„Hubbles Konstante ist eine ganz besondere Zahl”, sagte er. „Sie kann verwendet werden, um eine Nadel von der Vergangenheit in die Gegenwart zu fädeln, um ein umfassendes Verständnis unseres Universums zu testen. Dies erforderte eine enorme Menge an Detailarbeit.” Dr. Licia Verdi, Kosmologin am ICREA und der ICC-Universität Barcelona, ​​spricht über die Arbeit des SHOES-Teams.

Das Team hat mit Hubble 42 Supernova-Zeichen gemessen. Da davon ausgegangen wird, dass sie jedes Jahr etwa einmal explodieren, hat Hubble aus praktischen Gründen so viele Supernovae wie möglich aufgezeichnet, um die Ausdehnung des Universums zu messen. “Wir haben eine vollständige Probe aller Supernovae, die dem Hubble-Teleskop zugänglich sind und in den letzten 40 Jahren gesehen wurden”, sagte Reese. Wie der Text zu „Kansas City“ aus dem Broadway-Musical OklahomaHubble “drehe dich wie ein Fell, da du nicht gehen kannst!”

Seltsame Physik?

Es wurde erwartet, dass die Expansionsrate des Universums langsamer ist als das, was Hubble tatsächlich sieht. Durch die Kombination des kosmischen Standardmodells des Universums mit Messungen der Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (die den verbleibenden kosmischen Mikrowellenhintergrund vor 13,8 Milliarden Jahren beobachtete), erwarten Astronomen einen niedrigeren Wert für die Hubble-Konstante: 67,5 plus oder minus 0,5 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, verglichen mit With a SHOES team grade of 73.

Angesichts der großen Stichprobengröße von Hubble, sagte Reese, besteht nur eine Wahrscheinlichkeit von eins zu einer Million, dass Astronomen aufgrund von unglücklichen Wolken falsch liegen, eine übliche Schwelle, um ein Problem in der Physik ernst zu nehmen. Diese Entdeckung entwirrt das, was zu einem schönen und übersichtlichen Bild der dynamischen Entwicklung des Universums wurde. Astronomen sind ratlos, die Diskrepanz zwischen der Expansionsrate des Lokaluniversums und dem Uruniversum zu erklären, aber die Antwort könnte zusätzliche Universumsphysik beinhalten.

Diese verwirrenden Erkenntnisse machten das Leben für Kosmologen wie Reese noch aufregender. Vor dreißig Jahren begannen sie, die Hubble-Konstante zu messen, um das Universum zu messen, aber jetzt ist es etwas Interessanteres. „Eigentlich ist mir der Skalierungswert eigentlich egal, aber ich nutze ihn gerne, um etwas über das Universum zu lernen“, fügte Reese hinzu.

Das neue Webb-Weltraumteleskop der NASA wird Hubbles Arbeit erweitern, indem es Anzeichen kosmischer Merkmale in größeren Entfernungen oder mit einer höheren Auflösung zeigt, als Hubble sehen kann.

Das Hubble-Weltraumteleskop ist ein internationales Kooperationsprojekt zwischen der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Das Teleskop wird vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, betrieben. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, führt Hubble-Wissenschaftsoperationen durch. STScI wird für die NASA vom Consortium of Universities for Research in Astronomy in Washington, DC betrieben

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