Το διαστημικό τηλεσκόπιο Webb μετρά τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος

Η τάση Hubble αναφέρεται στη διαφορά μεταξύ του παρατηρούμενου και του αναμενόμενου ρυθμού διαστολής του σύμπαντος. ο Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb Αναθεωρεί τις μετρήσεις που έκανε προηγουμένως Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble. Παρά την πρόοδο, παραμένουν ερωτήματα σχετικά με την ταχεία διαστολή του σύμπαντος και πιθανά υποκείμενα κοσμικά φαινόμενα.

Ο ρυθμός με τον οποίο διαστέλλεται το σύμπαν, γνωστός ως σταθερά Hubble, είναι ένα από τα θεμελιώδη κριτήρια για την κατανόηση της εξέλιξης και της τελικής μοίρας του σύμπαντος. Ωστόσο, υπάρχει μια επίμονη διαφορά που ονομάζεται «ένταση Hubble» που εμφανίζεται μεταξύ της τιμής της σταθεράς που μετράται από ένα ευρύ φάσμα ανεξάρτητων δεικτών απόστασης και της τιμής της που αναμένεται από η μεγάλη έκρηξη λυκόφως.

NASAΤο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb παρέχει νέες δυνατότητες εξέτασης και βελτίωσης ορισμένων από τα ισχυρότερα παρατηρητικά στοιχεία για αυτήν την ένταση. Ο βραβευμένος με Νόμπελ Adam Ries του Πανεπιστημίου Johns Hopkins και του Επιστημονικού Ινστιτούτου του Διαστημικού Τηλεσκοπίου παρουσιάζει την πρόσφατη δουλειά του και των συναδέλφων του χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις Webb για να βελτιώσει την ακρίβεια των τοπικών μετρήσεων της σταθεράς Hubble.

Η πρόκληση της κοσμολογικής μέτρησης

“Δυσκολευτήκατε ποτέ να δείτε ένα σημάδι που ήταν στην άκρη της όρασής σας; Τι λέει; Τι σημαίνει; Ακόμα και με τα πιο ισχυρά τηλεσκόπια, τα “σημάδια” που θέλουν να διαβάσουν οι αστρονόμοι φαίνονται τόσο μικρά που δυσκολευόμαστε , πολύ.”

“Το σημάδι που θέλουν να διαβάσουν οι κοσμολόγοι είναι το σημάδι του ορίου κοσμικής ταχύτητας που μας λέει πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν – ένας αριθμός που ονομάζεται σταθερά Hubble. Το ζώδιό μας είναι γραμμένο στα αστέρια σε μακρινούς γαλαξίες. Η φωτεινότητα ορισμένων αστεριών σε αυτοί οι γαλαξίες μας λένε πόσο μακριά είναι και επομένως πόσο χρόνο έχει διανύσει αυτό το φως.» Για να φτάσουν σε εμάς, οι μετατοπίσεις του κόκκινου των γαλαξιών μας λένε πόσο επεκτάθηκε το σύμπαν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, και επομένως η διαστολή ένας μέσος όρος.

Αυτό το διάγραμμα δείχνει τη συνδυασμένη ισχύ των διαστημικών τηλεσκοπίων Hubble και Webb της NASA στον προσδιορισμό των ακριβών αποστάσεων από μια ειδική κατηγορία μεταβλητών αστεριών που χρησιμοποιούνται για τη βαθμονόμηση του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος. Αυτά τα μεταβλητά αστέρια των Κηφείδων φαίνονται σε πολυσύχναστα αστρικά πεδία. Η φωτορύπανση από τα γύρω αστέρια μπορεί να κάνει τη μέτρηση της φωτεινότητας του Κηφείδη λιγότερο ακριβή. Η πιο ευκρινής υπέρυθρη όψη του Webb επιτρέπει στον στόχο των Κηφειδών να απομονώνεται πιο καθαρά από τα γύρω αστέρια, όπως φαίνεται στη δεξιά πλευρά του διαγράμματος. Τα δεδομένα του Webb επιβεβαιώνουν την ακρίβεια 30 χρόνων παρατηρήσεων των Κηφειδών από το Hubble που ήταν κρίσιμες για τον προσδιορισμό του κατώτατου σκέλους της κλίμακας κοσμικής απόστασης για τη μέτρηση του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος. Στα αριστερά, το NGC 5584 εμφανίζεται σε μια σύνθετη εικόνα από το Webb NIRCam (Κοντά στην Υπέρυθρη Κάμερα) και την Κάμερα Ευρέος Πεδίου 3 του Hubble. Πίστωση εικόνας: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

«Μια συγκεκριμένη κατηγορία άστρων, οι μεταβλητές των Κηφείδων, μας έχουν δώσει τις πιο ακριβείς μετρήσεις της απόστασης για περισσότερο από έναν αιώνα, επειδή αυτά τα αστέρια είναι εξαιρετικά φωτεινά: είναι γιγάντια αστέρια, εκατό χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από τη φωτεινότητα του Ήλιου. Επιπλέον, πάλλονται (δηλαδή διαστέλλεται και συστέλλεται σε μέγεθος) σε μια περίοδο εβδομάδων που υποδεικνύει τη σχετική φωτεινότητά τους. Όσο μεγαλύτερη είναι η περίοδος, τόσο πιο φωτεινή είναι εγγενώς. Είναι το όργανο χρυσού προτύπου για τη μέτρηση αποστάσεων μεταξύ γαλαξιών εκατό εκατομμύρια έτη φωτός ή πιο μακριά και είναι ένα κρίσιμο βήμα για τον προσδιορισμό της σταθεράς Hubble.Δυστυχώς, τα αστέρια στους γαλαξίες συγκεντρώνονται μαζί σε μια μικρή περιοχή από την μακρινή μας οπτική γωνία, επομένως συχνά δεν έχουμε την ικανότητα να τα διαχωρίσουμε από τους γείτονές τους που βρίσκονται στο σημείο της όρασης.

Η συμβολή του Hubble και οι εξελίξεις του Webb

“Η κύρια αιτιολόγηση για την κατασκευή του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble ήταν η επίλυση αυτού του προβλήματος. Πριν από την εκτόξευση του Hubble το 1990 και τις επακόλουθες μετρήσεις του Κηφείδες, ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος ήταν τόσο αβέβαιος που οι αστρονόμοι δεν ήταν σίγουροι αν το σύμπαν διαστέλλεται για 10 δισεκατομμύρια ή 20 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό συμβαίνει επειδή ένας ταχύτερος ρυθμός διαστολής θα οδηγήσει σε νεότερη ηλικία του σύμπαντος και ένας μικρότερος ρυθμός διαστολής θα οδηγήσει σε μεγαλύτερη ηλικία του σύμπαντος. Το Hubble έχει καλύτερη ανάλυση ορατού μήκους κύματος από οποιοδήποτε επίγειο τηλεσκόπιο, επειδή Βρίσκεται πάνω από τις νεφελώδεις επιδράσεις της ατμόσφαιρας της Γης. Ως αποτέλεσμα, μπορεί να αναγνωρίσει μεμονωμένες μεταβλητές των Κηφειδών σε γαλαξίες που βρίσκονται σε απόσταση μεγαλύτερη από εκατό εκατομμύρια έτη φωτός μακριά και να μετρήσει το χρονικό διάστημα κατά το οποίο αλλάζει η φωτεινότητά του.

“Ωστόσο, πρέπει επίσης να παρατηρήσουμε τα αστέρια των Κηφείδων στο κοντινό υπέρυθρο τμήμα του φάσματος για να δούμε το φως που περνά αλώβητο μέσα από την ενδιάμεση σκόνη. (Η σκόνη απορροφά και διασκορπίζει το μπλε οπτικό φως, κάνοντας τα μακρινά αντικείμενα να φαίνονται αμυδρά και ξεγελώντας μας να σκεφτούμε είναι πιο μακριά από ό, τι είναι.) Δυστυχώς, η άποψη του Hubble για το κόκκινο φως δεν είναι τόσο ευκρινής όσο το μπλε φως, επομένως το αστρικό φως των Κηφειδών που βλέπουμε εκεί είναι αναμεμειγμένο με άλλα αστέρια στο οπτικό του πεδίο. Μπορούμε να υπολογίσουμε τη μέση ποσότητα ανάμειξης , Στατιστικώς, με τον ίδιο τρόπο που ένας γιατρός υπολογίζει το βάρος σας αφαιρώντας το μέσο βάρος των ρούχων από την ένδειξη της ζυγαριάς, αλλά κάνοντάς το αυτό προσθέτει σύγχυση στις μετρήσεις. Τα ρούχα κάποιων είναι πιο βαριά από άλλα.

“Ωστόσο, η αιχμηρή υπέρυθρη όραση είναι μία από τις υπερδυνάμεις του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb. Με τον μεγάλο καθρέφτη και την ευαίσθητη οπτική του, μπορεί εύκολα να διαχωρίσει το φως των Κηφειδών από τα κοντινά αστέρια με μικρή ανάμειξη. Στο πρώτο έτος λειτουργίας του Webb με το πρόγραμμα παρατηρητών μας στο Το 1685, συλλέξαμε παρατηρήσεις Κηφείδων που βρέθηκαν από το Χαμπλ σε δύο βήματα κατά μήκος αυτού που είναι γνωστό ως η κλίμακα της κοσμικής απόστασης. Το πρώτο βήμα περιλαμβάνει την παρατήρηση Κηφείδων σε έναν γαλαξία με γνωστή γεωμετρική απόσταση που μας επιτρέπει να βαθμονομήσουμε την πραγματική φωτεινότητα των Κηφείδων. πρόγραμμα, αυτός ο γαλαξίας είναι NGC 4258. Το δεύτερο βήμα είναι να παρατηρήσουμε τους Κηφείδες στους γαλαξίες-ξενιστές των πρόσφατων σουπερνόβα τύπου Ia. Ο συνδυασμός των δύο πρώτων βημάτων μεταφέρει τη γνώση της απόστασης στους σουπερνόβα για να βαθμονομήσει την πραγματική τους φωτεινότητα. Το τρίτο βήμα είναι να Παρατηρήστε εκείνες τις μακρινές σουπερνόβα όπου η διαστολή του σύμπαντος είναι εμφανής και μπορεί να μετρηθεί με Συγκρίνοντας τις αποστάσεις που συνάγονται από τη φωτεινότητα και τις μετατοπίσεις στο κόκκινο των γαλαξιών-ξενιστών σουπερνόβα. Αυτή η ακολουθία βημάτων είναι γνωστή ως η κλίμακα της απόστασης.

«Πρόσφατα αποκτήσαμε τις πρώτες μετρήσεις Webb από τα βήματα 1 και 2 που μας επιτρέπουν να ολοκληρώσουμε τη σκάλα απόστασης και να τις συγκρίνουμε με προηγούμενες μετρήσεις χρησιμοποιώντας το Hubble (βλ. εικόνα). – Υπέρυθρα μήκη κύματος. Αυτό το είδος βελτίωσης είναι αυτό που ονειρεύονται οι αστρονόμοι! Παρατηρήσαμε περισσότερα από 320 αστέρια κηφείδων στα δύο πρώτα βήματα. Επιβεβαιώσαμε ότι οι προηγούμενες μετρήσεις από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble ήταν ακριβείς, αν και πιο θορυβώδεις. Παρατηρήσαμε επίσης τέσσερις ξενιστές σουπερνόβα χρησιμοποιώντας Webb, είδαμε παρόμοιο αποτέλεσμα για ολόκληρο το δείγμα.

Συγκρίνετε τις σχέσεις μεταξύ της περιόδου των Κηφείδων και της φωτεινότητας που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των αποστάσεων. Οι κόκκινες κουκκίδες είναι από το Webb της NASA και οι γκρίζες κουκκίδες είναι από το Hubble της NASA. Το επάνω πάνελ είναι αφιερωμένο στον NGC 5584, τον οικοδεσπότη του σουπερνόβα τύπου Ia, με ένα ένθετο που δείχνει σφραγίδες εικόνας του ίδιου Κηφείδη που βλέπει κάθε τηλεσκόπιο. Το κάτω πλαίσιο είναι για τον NGC 4258, έναν γαλαξία με γνωστή γεωμετρική απόσταση, με το ένθετο να δείχνει τη διαφορά στους συντελεστές απόστασης μεταξύ του NGC 5584 και του NGC 4258, όπως μετράται χρησιμοποιώντας κάθε τηλεσκόπιο. Τα δύο τηλεσκόπια βρίσκονται σε εξαιρετική συμφωνία. Πίστωση εικόνας: NASA, ESA, A. Riess (STScI) και G. Anand(STScI)

Το συνεχιζόμενο μυστήριο της έντασης του Hubble

«Αυτό που δεν έχουν εξηγήσει ακόμη τα αποτελέσματα είναι γιατί το σύμπαν διαστέλλεται τόσο γρήγορα! Μπορούμε υπερηφάνεια Ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος με την παρατήρηση της αναδυόμενης εικόνας του Κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, τότε χρησιμοποιούμε το καλύτερο μοντέλο μας για το πώς μεγαλώνει με την πάροδο του χρόνου για να μας πει πόσο γρήγορα θα πρέπει να διαστέλλεται το σύμπαν σήμερα. Το γεγονός ότι η τρέχουσα μέτρηση του ρυθμού επέκτασης ξεπερνά δραματικά τις προσδοκίες είναι ένα πρόβλημα δεκαετίας που ονομάζεται «Hubble jitter». Η πιο συναρπαστική πιθανότητα είναι ότι το άγχος είναι απόδειξη για κάτι που μας λείπει στην κατανόησή μας για το σύμπαν.

“Αυτό θα μπορούσε να υποδηλώνει την παρουσία εξωτικής σκοτεινής ενέργειας, εξωτικής σκοτεινής ύλης, μια αναθεώρηση της κατανόησής μας για τη βαρύτητα ή την ύπαρξη ενός μοναδικού σωματιδίου ή πεδίου. Η πιο απλή εξήγηση είναι ότι πολλαπλά σφάλματα μέτρησης συνωμοτούν προς την ίδια κατεύθυνση (οι αστρονόμοι απέκλεισε ένα σφάλμα χρησιμοποιώντας ανεξάρτητα βήματα), Γι’ αυτό είναι τόσο σημαντικό να επαναλαμβάνονται οι μετρήσεις με μεγαλύτερη ακρίβεια. Με την επιβεβαίωση από τον Webb για τις μετρήσεις του Hubble, οι μετρήσεις του Webb παρέχουν την ισχυρότερη απόδειξη ότι τα συστηματικά σφάλματα στη φωτομετρία των Κηφείδων του Hubble δεν παίζουν σημαντικό ρόλο στο Hubble Ως αποτέλεσμα, το πιο πιθανό ενδιαφέρον είναι στο τραπέζι και το τεταμένο μυστήριο βαθαίνει.

Αυτή η ανάρτηση επισημαίνει δεδομένα από τον Α χαρτί Κάτι που έχει γίνει αποδεκτό στο παρελθόν Astrophysical Journal.

Αναφορά: «No More Crowding: Accuracy of Hubble Constant Tested by High Resolution Observations of Cepheid Objects with the James Webb Space Telescope» του Adam J. Rees, Gagandeep S. Οι Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Proval, Dan Skolnick, Marshall Perrin και Richard I. Anderson, δέχτηκαν, Astrophysical Journal.
arXiv:2307.15806

Συγγραφέας: Ο Adam Ries είναι ο διακεκριμένος καθηγητής του Bloomberg στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, ο Thomas G. Barber Καθηγητής Διαστημικών Σπουδών στη Σχολή Τεχνών και Επιστημών JHU Krieger, διακεκριμένος αστρονόμος στο Επιστημονικό Ινστιτούτο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου και ο αποδέκτης του Νόμπελ 2011 Βραβείο Φυσικής.