Gravitationslinsning av supernova ger nytt värde för Hubble-konstanten – Physics World

En studie av hur ljus från en avlägsen supernova var gravitationslinsad när den reste till jorden har använts för att beräkna ett nytt värde för Hubble-konstanten – en viktig parameter som beskriver universums expansion. Även om detta senaste resultat inte har förvånat astronomer, kan liknande observationer i framtiden hjälpa oss att förstå varför olika tekniker hittills har gett mycket olika värden för Hubble-konstanten.

Universum har expanderat sedan det skapades i Big Bang för 13.7 miljarder år sedan. På 1920-talet observerade den amerikanske astronomen Edwin Hubble att galaxer längre bort från jorden verkar röra sig bort från jorden snabbare än galaxer som är närmare oss. Han gjorde detta genom att mäta rödförskjutningen av ljuset från dessa galaxer - vilket är sträckningen av ljusets våglängd som uppstår när ett objekt drar sig tillbaka från en observatör.

Det linjära sambandet mellan avstånd och hastighet som han mätte beskrivs av Hubble-konstanten och astronomer har sedan dess utvecklat flera tekniker för att mäta den.

Astronomer är dock förbryllade pga olika mätningar har levererat mycket olika värden för Hubble-konstanten. Mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (CRB) från Europeiska rymdorganisationens Planck-satellit ger ett värde på cirka 67 km/s/Mpc. Mätningar som involverar observationer av supernovorna av typ 1a gjorda av SH0ES-samarbetet ger dock ett värde på cirka 73 km/s/Mpc. Osäkerheterna i dessa mätningar är cirka 1–2 %, så det finns en tydlig spänning mellan de två teknikerna. Astronomer vill veta varför och för att ta reda på att de utvecklar nya sätt att mäta Hubble-konstanten.

Nu har astronomer mätt Hubble-konstanten med hjälp av ljus från en supernova som exploderade för 9.34 miljarder år sedan. På sin väg till jorden passerade ljuset genom en galaxhop och avleddes av klustrets enorma gravitationsfält, som fokuserade ljuset mot jorden. Denna effekt kallas gravitationslinsning.

Klumpig massfördelning

Den klumpiga fördelningen av massa i klustret skapade ett komplext gravitationsfält som skickade supernovans ljus längs flera olika vägar mot jorden. När supernovan observerades första gången 2014, verkade den som fyra ljuspunkter. När de fyra punkterna bleknade dök en femte upp 376 dagar senare. Detta ljus försenades av den längre väg det hade tagit genom klustret.

Under dessa 376 dagar hade universum expanderat, vilket betyder att våglängden för det sent ankommande ljuset rödförskjuts. Genom att mäta denna extra rödförskjutning, ledde ett team av patrick kelly vid University of Minnesota kunde beräkna Hubble-konstanten. Med hjälp av flera olika massfördelningsmodeller för klustren kom teamet fram till värden för konstanten på antingen 64.8 km/s/Mpc eller 66.6 km/s/Mpc.

Supernovans tidsfördröjningsmätning verkar vid första anblicken gynna Plancks värde på Hubble-konstanten över SH0ES. Men tidigare tidsfördröjningsmätningar av kvasarljus observerade av H0LiCOW samarbete ger ett värde på 73.3 km/s/Mpc – alltså närmare SH0ES.

Även om detta kan verka förvirrande, Kellys kollega Tommaso Treu från University of California, Los Angeles påpekar att de senaste resultaten inte är förvånande.

"De är inte särskilt olika", säger han. "Inom osäkerheterna överensstämmer denna nya mätning med alla tre [Planck, SH0ES och H0LiCOW]."

Sherry Suyu från Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland, som leder H0LiCOW-projektet och inte var involverad i dessa nya tidsfördröjningsmätningar, ser inte heller nödvändigtvis en paradox.

Framtidslöfte

"Detta värde [från supernovan] kommer från ett enda linssystem, och med tanke på dess felstaplar är mätningen statistiskt överensstämmande med resultaten från H0LiCOWs linsförsedda kvasarer", säger hon.

Osäkerheten i supernovans tidsfördröjningsmätning är relaterad till hur massan är fördelad i galaxen – hur mycket mörk materia och baryonisk (normal) materia som finns och hur den är spridd i hela klustret. Kelly och Treus team använde en mängd olika modeller, och skillnaderna mellan modellerna utgör en stor del av osäkerheten i deras värden för Hubble-konstanten.

Att hitta en konsekvent konstant

"Precisionen i de låga Hubble-konstantens mätningar som presenteras här är helt enkelt inte tillräckligt för att argumentera mot det högre SH0ES-värdet", säger Daniel Mortlock från Imperial College, London, som inte heller var inblandad i forskningen.

Ändå tror Mortlock att denna beräkning av Hubble-konstanten från tidsfördröjningsmätningen av en supernova är ett landmärke. Hittills har bara ett par linsade supernovor upptäckts, men under de kommande åren när Vera C. Rubin-observatoriet i Chile, som har ett gigantiskt 8.4-meters undersökningsteleskop, kommer antalet supernovafynd med linser att öka dramatiskt.

"Härligt" arbete

"Sammantaget tycker jag att det är ett härligt arbete att göra den här mätningen, men den kanske mest spännande aspekten av detta är framtida löften, eftersom undersökningar som Rubin kommer att upptäcka många fler system av den här typen," säger Mortlock.

Med ett ökat antal linsade supernovor kommer större precision i mätningarna av Hubble-konstanten, vilket kommer att hjälpa till att minska felstaplarna och bekräfta om dessa data stöder Planck- eller SH0ES-resultaten. Vissa teoretiker har till och med föreslog att ny fysik kan krävas för att förklara Hubble-spänningen, förutsatt att den är verklig och inte ett okänt systematiskt fel i observationerna.

"Det krävs tydligt mer precision för att bidra till att lösa upp Hubble-spänningen", avslutar Treu. "Men det här är ett viktigt första steg."

Forskningen beskrivs i Vetenskap.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/gravitational-lensing-of-supernova-yields-new-value-for-hubble-constant/