Gravitationslinser af supernova giver ny værdi for Hubble-konstanten – Physics World

Gravitationslinser af supernova giver ny værdi for Hubble-konstanten – Physics World

Tidsstempel: 23. maj 2023 kl. 3

Gravitationslinser
Tidlige ankomster: De første fire billeder af den gravitationslinsede supernova er vist i gult. (Med høflighed: NASA/ESA/JHU/UCLA/UC Berkeley/STScI)

En undersøgelse af, hvordan lys fra en fjern supernova blev gravitationslinser, da den rejste til Jorden, er blevet brugt til at beregne en ny værdi for Hubble-konstanten - en vigtig parameter, der beskriver universets udvidelse. Selvom dette seneste resultat ikke har overrasket astronomer, kan lignende observationer i fremtiden hjælpe os med at forstå, hvorfor forskellige teknikker hidtil har givet meget forskellige værdier for Hubble-konstanten.

Universet har udvidet sig siden det blev skabt i Big Bang for 13.7 milliarder år siden. I 1920'erne observerede den amerikanske astronom Edwin Hubble, at galakser længere væk fra Jorden ser ud til at bevæge sig væk fra Jorden hurtigere end galakser, der er tættere på os. Han gjorde dette ved at måle rødforskydningen af ​​lyset fra disse galakser - som er strækningen af ​​lysets bølgelængde, der opstår, når et objekt trækker sig tilbage fra en observatør.

Det lineære forhold mellem afstand og hastighed, som han målte, er beskrevet af Hubble-konstanten, og astronomer har siden udviklet flere teknikker til at måle det.

Astronomer undrer sig dog, fordi forskellige målinger har leveret meget forskellige værdier for Hubble-konstanten. Målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling (CRB) fra European Space Agencys Planck-satellit giver en værdi på omkring 67 km/s/Mpc. Målinger, der involverer observationer af type 1a supernovaer udført af SH0ES-samarbejdet, giver dog en værdi på omkring 73 km/s/Mpc. Usikkerhederne i disse målinger er omkring 1-2 %, så der er en klar spænding mellem de to teknikker. Astronomer vil gerne vide hvorfor, og for at finde ud af, at de udvikler nye måder at måle Hubble-konstanten på.

Nu har astronomer målt Hubble-konstanten ved hjælp af lys fra en supernova, der eksploderede for 9.34 milliarder år siden. På vej til Jorden passerede lyset gennem en galaksehob og blev afbøjet af hobens enorme gravitationsfelt, som fokuserede lyset mod Jorden. Denne effekt kaldes gravitationslinser.

Klumpet massefordeling

Den klumpede massefordeling i klyngen skabte et komplekst gravitationsfelt, der sendte supernovaens lys ad flere forskellige stier mod Jorden. Da supernovaen første gang blev observeret i 2014, fremstod den som fire lyspunkter. Da de fire punkter falmede, dukkede et femte op 376 dage senere. Dette lys blev forsinket af den længere vej, det havde taget gennem klyngen.

I løbet af disse 376 dage havde universet udvidet sig, hvilket betyder, at bølgelængden af ​​det sent ankommende lys blev rødforskudt. Ved at måle denne ekstra rødforskydning kan et hold ledet af patrick kelly fra University of Minnesota var i stand til at beregne Hubble-konstanten. Ved at bruge flere forskellige massefordelingsmodeller for klyngerne kom holdet frem til værdier for konstanten på enten 64.8 km/s/Mpc eller 66.6 km/s/Mpc.

Supernovaens tidsforsinkelsesmåling synes ved første øjekast at favorisere Plancks værdi af Hubble-konstanten over SH0ES. Men tidligere tidsforsinkelsesmålinger af kvasarlys observeret af H0LiCOW samarbejde giver en værdi på 73.3 km/s/Mpc – altså tættere på SH0ES.

Selvom dette kan virke forvirrende, Kellys kollega Tommaso Treu fra University of California, Los Angeles påpeger, at de seneste resultater ikke er overraskende.

"De er ikke meget forskellige," siger han. "Inden for usikkerheden er denne nye måling i overensstemmelse med alle tre [Planck, SH0ES og H0LiCOW]."

Sherry Suyu fra Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland, som leder H0LiCOW-projektet og ikke var involveret i disse nye tidsforsinkelsesmålinger, ser heller ikke nødvendigvis et paradoks.

Fremtidsløfte

"Denne værdi [fra supernovaen] er fra et enkelt linsesystem, og givet dets fejlbjælker er målingen statistisk i overensstemmelse med resultaterne fra H0LiCOWs linsebaserede kvasarer," siger hun.

Usikkerheden i supernovaens tidsforsinkelsesmåling er relateret til, hvordan massen er fordelt i galaksen - hvor meget mørkt stof og baryonisk (normalt) stof der er til stede, og hvordan det er spredt i hele hoben. Kelly og Treus team brugte en række forskellige modeller, og forskellene mellem modellerne udgør en stor del af usikkerheden i deres værdier for Hubble-konstanten.

"Nøjagtigheden af ​​de lave Hubble-konstantmålinger, der præsenteres her, er bare ikke nok til at argumentere imod den højere SH0ES-værdi," siger Daniel Mortlock fra Imperial College, London, som heller ikke var involveret i forskningen.

Alligevel mener Mortlock, at denne beregning af Hubble-konstanten fra tidsforsinkelsesmålingen af ​​en supernova er et vartegn. Indtil videre er der kun blevet opdaget et par linsede supernovaer, men i de kommende år, når den Vera C. Rubin Observatorium i Chile, som har et gigantisk 8.4 meter undersøgelsesteleskop, kommer online, skulle antallet af linseopdagede supernovaer stige dramatisk.

"Dejligt" arbejde

"Samlet set synes jeg, det er et dejligt stykke arbejde at lave denne måling, men måske det mest spændende aspekt af dette er fremtidsløftet, da undersøgelser som Rubin vil opdage mange flere systemer af denne type," siger Mortlock.

Med et øget antal af linsede supernovaer vil der komme større præcision i målingerne af Hubble-konstanten, hvilket vil hjælpe med at reducere fejlbjælkerne og bekræfte, om disse data understøtter Planck- eller SH0ES-resultaterne. Nogle teoretikere har endda foreslog, at ny fysik kan være forpligtet til at forklare Hubble-spændingen, forudsat at den er reel og ikke en uerkendt systematisk fejl i observationerne.

"Det er klart, at der er behov for mere præcision for at bidrage til løsningen af ​​Hubble-spændingen," slutter Treu. "Men dette er et vigtigt første skridt."

Forskningen er beskrevet i Videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden