Kończąc prawie 30-letni maraton, Kosmiczny Teleskop Hubble’a skalibrował ponad 40 „znaczników milowych” przestrzeni i czasu, aby pomóc naukowcom w precyzyjnym zmierzeniu tempa ekspansji wszechświata – misja z niespodzianką fabuły.
Pogoń za tempem ekspansji Wszechświata rozpoczęła się w latach 20. XX wieku od pomiarów dokonanych przez astronomów Edwina P. Hubble’a i Georgesa Lemaître’a. W 1998 roku doprowadziło to do odkrycia „ciemnej energii”, tajemniczej siły odpychającej przyspieszającej ekspansję wszechświata. W ostatnich latach, dzięki danym z Hubble’a i innych teleskopów, astronomowie odkryli kolejny zwrot: rozbieżność między tempem ekspansji mierzonym we wszechświecie lokalnym w porównaniu z niezależnymi obserwacjami bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, które przewidują inną wartość ekspansji.
Przyczyna tej rozbieżności pozostaje tajemnicą. Ale dane Hubble’a, obejmujące różne obiekty kosmiczne, które służą jako znaczniki odległości, potwierdzają pogląd, że dzieje się coś dziwnego, prawdopodobnie z udziałem zupełnie nowej fizyki.
„Otrzymujesz najbardziej dokładną miarę tempa ekspansji Wszechświata ze złotego standardu teleskopów i kosmicznych znaczników mil” – powiedział laureat Nagrody Nobla Adam Riess z Space Telescope Science Institute (STScI) i Johns Hopkins University w Baltimore, Maryland. .
Riess prowadzi współpracę naukową badającą tempo ekspansji wszechświata o nazwie SH0ES, co oznacza Supernova, H0, od Równania Stanu Ciemnej Energii. „Do tego właśnie zbudowano Kosmiczny Teleskop Hubble’a, wykorzystując najlepsze znane nam techniki. Jest to prawdopodobnie wielkie dzieło Hubble’a, ponieważ zajęłoby kolejne 30 lat życia Hubble’a, aby nawet podwoić tę wielkość próbki” – powiedział Riess. .
Artykuł zespołu Riessa, który ma zostać opublikowany w specjalnym wydaniu The Astrophysical Journal, donosi o ukończeniu największej i prawdopodobnie ostatniej dużej aktualizacji stałej Hubble’a. Nowe wyniki ponad dwukrotnie przewyższają poprzednią próbkę kosmicznych znaczników odległości. Jego zespół ponownie przeanalizował również wszystkie wcześniejsze dane, przy czym cały zestaw danych obejmuje teraz ponad 1000 orbit Hubble’a.
Kiedy NASA wymyśliła duży teleskop kosmiczny w latach 70., jednym z głównych uzasadnień kosztów i niezwykłego wysiłku technicznego była możliwość rozdzielenia cefeid, gwiazd, które okresowo rozjaśniają się i ciemnieją, obserwowane wewnątrz naszej Drogi Mlecznej i galaktyk zewnętrznych. Cefeidy od dawna są złotym standardem wśród kosmicznych znaczników mil, odkąd ich użyteczność została odkryta przez astronom Henriettę Swan Leavitt w 1912 roku. Aby obliczyć znacznie większe odległości, astronomowie wykorzystują eksplodujące gwiazdy zwane supernowymi typu Ia.
W połączeniu, obiekty te zbudowały „kosmiczną drabinę odległości” we wszechświecie i są niezbędne do pomiaru tempa ekspansji wszechświata, zwanej stałą Hubble’a od Edwina Hubble’a. Wartość ta ma kluczowe znaczenie dla oszacowania wieku wszechświata i stanowi podstawowy test naszego zrozumienia wszechświata.
Zaraz po wystrzeleniu Hubble’a w 1990 roku pierwszy zestaw obserwacji gwiazd cefeid w celu udoskonalenia stałej Hubble’a został przeprowadzony przez dwa zespoły: HST Key Project kierowany przez Wendy Freedman, Roberta Kennicutta, Jeremy’ego Moulda i Marca Aaronsona, a drugi przez Allana Sandage i współpracownicy, którzy wykorzystali cefeidy jako znaczniki milowe w celu udoskonalenia pomiaru odległości do pobliskich galaktyk. Na początku XXI wieku zespoły ogłosiły „misję ukończoną”, osiągając dokładność 10 procent dla stałej Hubble’a, 72 plus lub minus 8 kilometrów na sekundę na megaparsek.
W 2005 r. i ponownie w 2009 r. dodanie nowych potężnych kamer na pokładzie teleskopu Hubble’a uruchomiło „2 generację” stałych badań Hubble’a, ponieważ zespoły postanowiły udoskonalić wartość z dokładnością do zaledwie jednego procenta. Zainaugurował to program SH0ES. Kilka zespołów astronomów korzystających z Hubble’a, w tym SH0ES, zbliżyło się do stałej wartości Hubble’a wynoszącej 73 plus minus 1 kilometr na sekundę na megaparsek. Chociaż do zbadania kwestii stałej Hubble’a zastosowano inne podejścia, różne zespoły wypracowały wartości zbliżone do tej samej liczby.
W skład zespołu SH0ES wchodzą długoletni liderzy dr Wenlong Yuan z Johns Hopkins University, dr Lucas Macri z Texas A&M University, dr Stefano Casertano z STScI oraz dr Dan Scolnic z Duke University. Projekt zaprojektowano tak, aby obejmował wszechświat, dopasowując precyzję stałej Hubble’a wywnioskowanej z badania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła pozostałego po świcie wszechświata.
„Stała Hubble’a jest bardzo szczególną liczbą. Można jej użyć do nawleczenia igły z przeszłości do teraźniejszości w celu przeprowadzenia kompleksowego testu naszego rozumienia wszechświata. Wymagało to fenomenalnej ilości szczegółowej pracy” – powiedział. Dr Licia Verde, kosmolog z ICREA i ICC-University of Barcelona, opowiada o pracy zespołu SH0ES.
Zespół zmierzył 42 znaczniki słupów supernowych za pomocą Hubble’a. Ponieważ obserwuje się, jak eksplodują z szybkością około jednego na rok, Hubble, dla wszystkich praktycznych celów, zarejestrował jak najwięcej supernowych do pomiaru ekspansji Wszechświata. Riess powiedział: „Mamy pełną próbkę wszystkich supernowych dostępnych dla teleskopu Hubble’a widzianych w ciągu ostatnich 40 lat”. Podobnie jak słowa piosenki „Kansas City” z musicalu „Oklahoma” na Broadwayu, Hubble „poszedł tak futrzany, jak to tylko możliwe!”
Dziwna fizyka?
Przewidywano, że tempo ekspansji Wszechświata będzie wolniejsze niż to, co faktycznie widzi Hubble. Łącząc Standardowy Model Kosmologiczny Wszechświata i pomiary wykonane przez misję Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej (która obserwowała reliktowe kosmiczne mikrofalowe tło sprzed 13,8 miliarda lat), astronomowie przewidują niższą wartość stałej Hubble’a: 67,5 plus minus 0,5 kilometra na sekundę. sekundy na megaparsek, w porównaniu z szacunkami zespołu SH0ES wynoszącymi 73.
Biorąc pod uwagę dużą wielkość próbki Hubble’a, istnieje tylko jedna na milion szansa, że astronomowie mylą się z powodu niefortunnego losowania, powiedział Riess, co jest powszechnym progiem dla poważnego potraktowania problemu w fizyce. To odkrycie rozplątuje to, co stawało się ładnym i uporządkowanym obrazem dynamicznej ewolucji wszechświata. Astronomowie nie potrafią wyjaśnić rozbieżności między tempem ekspansji wszechświata lokalnego a wszechświatem pierwotnym, ale odpowiedź może wiązać się z dodatkową fizyką wszechświata.
Takie mylące odkrycia uczyniły życie bardziej ekscytującym dla kosmologów takich jak Riess. Trzydzieści lat temu zaczęli mierzyć stałą Hubble’a, aby porównać wszechświat, ale teraz stało się to jeszcze bardziej interesujące. „Właściwie nie obchodzi mnie, jaka jest konkretna wartość ekspansji, ale lubię ją wykorzystywać do poznawania wszechświata” – dodał Riess.
Nowy Teleskop Kosmiczny Webb NASA rozszerzy prace Hubble’a, pokazując te kosmiczne znaczniki milowe z większych odległości lub z większą rozdzielczością niż to, co może zobaczyć Hubble.
Kosmiczny Teleskop Hubble’a to projekt międzynarodowej współpracy NASA i ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej). Centrum lotów kosmicznych Goddarda NASA w Greenbelt w stanie Maryland zarządza teleskopem. Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore w stanie Maryland prowadzi operacje naukowe Hubble’a. STScI jest obsługiwany dla NASA przez Association of Universities for Research in Astronomy w Waszyngtonie, DC