Zwaartekrachtlensing van supernova levert nieuwe waarde op voor Hubble-constante - Physics World

Zwaartekrachtlensing van supernova levert nieuwe waarde op voor Hubble-constante - Physics World

Tijdstempel: 23 mei 2023 3:44 uur

Gravitatielenzen
Vroeg aangekomen: de eerste vier afbeeldingen van de door zwaartekracht gelenzende supernova worden in geel weergegeven. (Met dank aan: NASA/ESA/JHU/UCLA/UC Berkeley/STScI)

Een studie van hoe licht van een verre supernova door zwaartekracht werd gelenzend terwijl het naar de aarde reisde, is gebruikt om een ​​nieuwe waarde te berekenen voor de Hubble-constante - een belangrijke parameter die de uitdijing van het universum beschrijft. Hoewel dit laatste resultaat astronomen niet heeft verrast, zouden soortgelijke waarnemingen in de toekomst ons kunnen helpen begrijpen waarom verschillende technieken tot nu toe zeer verschillende waarden voor de Hubble-constante hebben opgeleverd.

Het heelal is aan het uitdijen sinds het 13.7 miljard jaar geleden in de oerknal ontstond. In de jaren 1920 merkte de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble op dat sterrenstelsels die verder van de aarde verwijderd lijken sneller van de aarde weg te bewegen dan sterrenstelsels die dichter bij ons staan. Hij deed dit door de roodverschuiving van het licht van deze sterrenstelsels te meten - de verlenging van de golflengte van licht die optreedt wanneer een object zich terugtrekt van een waarnemer.

De lineaire relatie tussen afstand en snelheid die hij heeft gemeten, wordt beschreven door de Hubble-constante en astronomen hebben sindsdien verschillende technieken ontwikkeld om deze te meten.

Astronomen zijn echter verbaasd omdat verschillende metingen hebben zeer verschillende waarden opgeleverd voor de Hubble-constante. Metingen van de kosmische achtergrondstraling (CRB) door de Planck-satelliet van het Europees Ruimteagentschap geven een waarde van ongeveer 67 km/s/Mpc. Echter, metingen met waarnemingen van de type 1a supernova's uitgevoerd door de SH0ES-samenwerking geven een waarde van ongeveer 73 km/s/Mpc. De onzekerheden in deze metingen zijn ongeveer 1-2%, dus er is een duidelijk spanningsveld tussen de twee technieken. Astronomen willen weten waarom, en om erachter te komen dat ze nieuwe manieren ontwikkelen om de Hubble-constante te meten.

Nu hebben astronomen de Hubble-constante gemeten met behulp van het licht van een supernova die 9.34 miljard jaar geleden explodeerde. Op weg naar de aarde ging het licht door een cluster van melkwegstelsels en werd afgebogen door het immense zwaartekrachtveld van de cluster, dat het licht naar de aarde concentreerde. Dit effect wordt zwaartekrachtlensing genoemd.

Klonterige massaverdeling

De klonterige massaverdeling in de cluster creëerde een complex zwaartekrachtveld dat het licht van de supernova langs verschillende paden naar de aarde stuurde. Toen de supernova voor het eerst werd waargenomen in 2014, leek het op vier lichtpunten. Toen de vier punten vervaagden, verscheen er 376 dagen later een vijfde. Dit licht werd vertraagd door het langere pad dat het door de cluster had afgelegd.

Gedurende die 376 dagen was het heelal uitgedijd, wat betekent dat de golflengte van het laat arriverende licht roodverschoven was. Door deze extra roodverschuiving te meten, heeft een team onder leiding van patrick kelly van de Universiteit van Minnesota de Hubble-constante kon berekenen. Met behulp van verschillende massaverdelingsmodellen voor de clusters kwam het team tot waarden voor de constante van 64.8 km/s/Mpc of 66.6 km/s/Mpc.

De meting van de supernova-tijdvertraging lijkt op het eerste gezicht in het voordeel te zijn van Plancks waarde van de Hubble-constante boven SH0ES. Eerdere tijdvertragingsmetingen van quasarlicht waargenomen door de H0LiCOW samenwerking geeft een waarde van 73.3 km/s/Mpc – dus dichter bij SH0ES.

Hoewel dit misschien verwarrend lijkt, Kelly's collega Tommaso Treu van de University of California, Los Angeles wijst erop dat de laatste resultaten niet verrassend zijn.

"Ze verschillen niet veel", zegt hij. "Binnen de onzekerheden is deze nieuwe meting consistent met alle drie [Planck, SH0ES en H0LiCOW]."

Sherry Suyu van het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Duitsland, die het H0LiCOW-project leidt en niet betrokken was bij deze nieuwe tijdvertragingsmetingen, ziet ook niet noodzakelijkerwijs een paradox.

Toekomstige belofte

"Deze waarde [van de supernova] is afkomstig van een systeem met één lens en gezien de foutbalken is de meting statistisch consistent met de resultaten van H0LiCOW's quasars met lens," zegt ze.

De onzekerheid in de meting van de supernova-tijdvertraging houdt verband met hoe massa in de melkweg is verdeeld - hoeveel donkere materie en baryonische (normale) materie aanwezig is en hoe deze door de cluster is verspreid. Het team van Kelly en Treu gebruikte verschillende modellen en de verschillen tussen de modellen vormen een groot deel van de onzekerheid in hun waarden voor de Hubble-constante.

"De precisie van de metingen van de lage Hubble-constante die hier worden gepresenteerd, is gewoon niet genoeg om tegen de hogere SH0ES-waarde in te gaan", zegt Daniël Mortlock van Imperial College, Londen, die ook niet betrokken was bij het onderzoek.

Toch denkt Mortlock dat deze berekening van de Hubble-constante uit de tijdvertragingsmeting van een supernova een mijlpaal is. Tot nu toe zijn er slechts een paar supernova's met lenzen ontdekt, maar in de komende jaren, wanneer de Vera C. Rubin Observatorium in Chili, dat een gigantische surveytelescoop van 8.4 meter heeft, komt online en het aantal supernova-ontdekkingen met lenzen zou dramatisch moeten toenemen.

"Heerlijk" werk

"Over het algemeen denk ik dat het een prachtig stuk werk is om deze meting uit te voeren, maar misschien wel het meest opwindende aspect hiervan is de toekomstbelofte, aangezien enquêtes zoals Rubin veel meer van dit soort systemen zullen ontdekken", zegt Mortlock.

Met een groter aantal gelenzende supernova's zal er een grotere precisie komen in de metingen van de Hubble-constante, wat zal helpen de foutbalken te verminderen en te bevestigen of deze gegevens de Planck- of SH0ES-resultaten ondersteunen. Sommige theoretici hebben zelfs suggereerde dat nieuwe fysica kan nodig zijn om de Hubble-spanning te verklaren, ervan uitgaande dat het echt is en geen niet-herkende systematische fout in de waarnemingen.

"Het is duidelijk dat er meer precisie nodig is om bij te dragen aan de oplossing van de Hubble-spanning", concludeert Treu. "Maar dit is een belangrijke eerste stap."

Het onderzoek is beschreven in Wetenschap.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld