Ο βαρυτικός φακός σουπερνόβα αποδίδει νέα τιμή για τη σταθερά Hubble – Physics World

Μια μελέτη του τρόπου με τον οποίο το φως από ένα μακρινό σουπερνόβα είχε βαρυτικό φακό καθώς ταξίδευε στη Γη, χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό μιας νέας τιμής για τη σταθερά Hubble - μια σημαντική παράμετρο που περιγράφει τη διαστολή του σύμπαντος. Αν και αυτό το τελευταίο αποτέλεσμα δεν εξέπληξε τους αστρονόμους, παρόμοιες παρατηρήσεις στο μέλλον θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να καταλάβουμε γιατί διαφορετικές τεχνικές έχουν μέχρι στιγμής δώσει πολύ διαφορετικές τιμές για τη σταθερά Hubble.

Το σύμπαν διαστέλλεται από τότε που δημιουργήθηκε στη Μεγάλη Έκρηξη πριν από 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια. Στη δεκαετία του 1920, ο Αμερικανός αστρονόμος Έντουιν Χαμπλ παρατήρησε ότι οι γαλαξίες πιο μακριά από τη Γη φαίνεται να απομακρύνονται από τη Γη πιο γρήγορα από ό,τι οι γαλαξίες που βρίσκονται πιο κοντά μας. Το έκανε αυτό μετρώντας την ερυθρή μετατόπιση του φωτός από αυτούς τους γαλαξίες - που είναι η έκταση του μήκους κύματος του φωτός που συμβαίνει όταν ένα αντικείμενο απομακρύνεται από έναν παρατηρητή.

Η γραμμική σχέση μεταξύ απόστασης και ταχύτητας που μέτρησε περιγράφεται από τη σταθερά Hubble και οι αστρονόμοι έκτοτε έχουν αναπτύξει διάφορες τεχνικές για να τη μετρήσουν.

Ωστόσο, οι αστρονόμοι μπερδεύονται επειδή διαφορετικές μετρήσεις έχουν δώσει πολύ διαφορετικές τιμές για τη σταθερά Hubble. Οι μετρήσεις της ακτινοβολίας του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου (CRB) από τον δορυφόρο Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας δίνουν μια τιμή περίπου 67 km/s/Mpc. Ωστόσο, οι μετρήσεις που περιλαμβάνουν παρατηρήσεις των σουπερνόβα τύπου 1a που έγιναν από τη συνεργασία SH0ES δίνουν μια τιμή περίπου 73 km/s/Mpc. Οι αβεβαιότητες σε αυτές τις μετρήσεις είναι περίπου 1-2%, επομένως υπάρχει σαφής ένταση μεταξύ των δύο τεχνικών. Οι αστρονόμοι θέλουν να μάθουν γιατί και να μάθουν ότι αναπτύσσουν νέους τρόπους για να μετρήσουν τη σταθερά Hubble.

Τώρα, οι αστρονόμοι έχουν μετρήσει τη σταθερά του Hubble χρησιμοποιώντας το φως ενός σουπερνόβα που εξερράγη πριν από 9.34 δισεκατομμύρια χρόνια. Στο δρόμο του προς τη Γη, το φως πέρασε μέσα από ένα σμήνος γαλαξιών και εκτραπεί από το τεράστιο βαρυτικό πεδίο του σμήνους, το οποίο εστίασε το φως προς τη Γη. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται βαρυτικός φακός.

Ογκώδης κατανομή μάζας

Η ογκώδης κατανομή της μάζας στο σμήνος δημιούργησε ένα σύνθετο βαρυτικό πεδίο που έστειλε το φως του σουπερνόβα κατά μήκος πολλών διαφορετικών μονοπατιών προς τη Γη. Όταν το σουπερνόβα παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 2014, εμφανίστηκε ως τέσσερα φωτεινά σημεία. Καθώς οι τέσσερις βαθμοί ξεθώριασαν, ένας πέμπτος εμφανίστηκε 376 ημέρες αργότερα. Αυτό το φως καθυστέρησε λόγω της μεγαλύτερης διαδρομής που είχε διασχίσει το σύμπλεγμα.

Κατά τη διάρκεια αυτών των 376 ημερών το σύμπαν είχε διασταλεί, πράγμα που σημαίνει ότι το μήκος κύματος του αργά ερχόμενου φωτός μετατοπίστηκε στο κόκκινο. Με τη μέτρηση αυτής της πρόσθετης μετατόπισης στο κόκκινο, μια ομάδα με επικεφαλής Πάτρικ Κέλι του Πανεπιστημίου της Μινεσότα μπόρεσε να υπολογίσει τη σταθερά του Hubble. Χρησιμοποιώντας πολλά διαφορετικά μοντέλα κατανομής μάζας για τα συμπλέγματα, η ομάδα κατέληξε σε τιμές για τη σταθερά είτε 64.8 km/s/Mpc είτε 66.6 km/s/Mpc.

Η μέτρηση της χρονικής καθυστέρησης του σουπερνόβα φαίνεται εκ πρώτης όψεως να ευνοεί την τιμή της σταθεράς Hubble από τον Planck έναντι του SH0ES. Ωστόσο, προηγούμενες μετρήσεις χρονικής καθυστέρησης του φωτός κβάζαρ που παρατηρήθηκαν από το H0LiCOW η συνεργασία δίνει μια τιμή 73.3 km/s/Mpc – τόσο πιο κοντά στο SH0ES.

Αν και αυτό μπορεί να φαίνεται μπερδεμένο, ο συνάδελφος της Kelly Τομάζο Τρέου του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες επισημαίνει ότι τα τελευταία αποτελέσματα δεν προκαλούν έκπληξη.

«Δεν είναι πολύ διαφορετικοί», λέει. «Μέσα στις αβεβαιότητες, αυτή η νέα μέτρηση είναι συνεπής και με τις τρεις [Planck, SH0ES και H0LiCOW]».

Sherry Suyu του Ινστιτούτου Αστροφυσικής Max Planck στη Γερμανία, ο οποίος ηγείται του έργου H0LiCOW και δεν συμμετείχε σε αυτές τις νέες μετρήσεις χρονικής καθυστέρησης, δεν βλέπει απαραίτητα ένα παράδοξο.

Μελλοντική υπόσχεση

«Αυτή η τιμή [από το σουπερνόβα] προέρχεται από ένα σύστημα μεμονωμένων φακών και δεδομένων των ράβδων σφάλματος του, η μέτρηση είναι στατιστικά συνεπής με τα αποτελέσματα από τα κβάζαρ με φακούς του H0LiCOW», λέει.

Η αβεβαιότητα στη μέτρηση της χρονικής καθυστέρησης του σουπερνόβα σχετίζεται με το πώς κατανέμεται η μάζα στον γαλαξία – πόση σκοτεινή ύλη και βαρυονική (κανονική) ύλη υπάρχει και πώς διαδίδεται σε όλο το σμήνος. Η ομάδα του Kelly και του Treu χρησιμοποίησε μια ποικιλία μοντέλων και οι διαφορές μεταξύ των μοντέλων αποτελούν μεγάλο μέρος της αβεβαιότητας στις τιμές τους για τη σταθερά Hubble.

Εύρεση συνεπούς σταθεράς

«Η ακρίβεια των μετρήσεων χαμηλής σταθεράς Hubble που παρουσιάζονται εδώ δεν είναι αρκετή για να αντιταχθεί στην υψηλότερη τιμή SH0ES», λέει. Ντάνιελ Μόρτλοκ του Imperial College του Λονδίνου, ο οποίος επίσης δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Ωστόσο, ο Mortlock πιστεύει ότι αυτός ο υπολογισμός της σταθεράς Hubble από τη μέτρηση της χρονικής καθυστέρησης ενός σουπερνόβα είναι ορόσημο. Μέχρι στιγμής, έχουν ανακαλυφθεί μόνο δύο υπερκαινοφανείς με φακούς, αλλά τα επόμενα χρόνια όταν η Παρατηρητήριο Vera C. Rubin Στη Χιλή, όπου υπάρχει ένα γιγαντιαίο τηλεσκόπιο 8.4 μέτρων, ο αριθμός των ανακαλύψεων σουπερνόβα με φακό θα πρέπει να αυξηθεί δραματικά.

"Ωραία" δουλειά

«Συνολικά πιστεύω ότι είναι μια υπέροχη δουλειά να γίνει αυτή η μέτρηση, αλλά ίσως η πιο συναρπαστική πτυχή αυτού είναι η μελλοντική υπόσχεση, καθώς έρευνες όπως το Rubin θα ανακαλύψουν πολλά περισσότερα συστήματα αυτού του τύπου», λέει ο Mortlock.

Με αυξημένους αριθμούς υπερκαινοφανών με φακούς, θα υπάρξει μεγαλύτερη ακρίβεια στις μετρήσεις της σταθεράς Hubble, κάτι που θα βοηθήσει στη μείωση των ράβδων σφάλματος και θα επιβεβαιώσει εάν αυτά τα δεδομένα υποστηρίζουν τα αποτελέσματα Planck ή SH0ES. Μερικοί θεωρητικοί έχουν ακόμη πρότεινε ότι η νέα φυσική μπορεί να χρειαστεί να εξηγήσει την ένταση του Hubble, υποθέτοντας ότι είναι πραγματική και όχι ένα μη αναγνωρισμένο συστηματικό σφάλμα στις παρατηρήσεις.

«Σαφώς χρειάζεται περισσότερη ακρίβεια για να συμβάλει στην επίλυση της έντασης του Hubble», καταλήγει ο Treu. «Αλλά αυτό είναι ένα σημαντικό πρώτο βήμα».

Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστήμη.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/gravitational-lensing-of-supernova-yields-new-value-for-hubble-constant/