Kosmische Expansiesnelheid

Een langverwachte studie van de Kosmische Expansiesnelheid suggereert dat kosmologen nog steeds iets missen als het gaat om de Hubble-spanning.

Drie nieuwe metingen met de James Webb-ruimtetelescoop hebben ertoe geleid dat sommigen zich afvragen of de Hubble-spanning echt is.

Bijna een eeuw geleden ontdekte Edwin Hubble dat het heelal groter wordt. Moderne metingen van hoe snel het uitdijt, zijn het daar echter niet mee eens, wat suggereert dat ons begrip van de natuurwetten mogelijk niet klopt. Iedereen verwachtte dat de scherpe visie van de James Webb Space Telescope het antwoord in beeld zou brengen. Maar een langverwachte analyse van de observaties van de telescoop die maandagavond laat werd vrijgegeven, werpt opnieuw een blik op tegenstrijdige expansiesnelheden van verschillende soorten gegevens, terwijl ze zich richten op mogelijke bronnen van fouten in het hart van het conflict.

Twee rivaliserende teams hebben het voortouw genomen bij het meten van de kosmische expansiesnelheid, die bekendstaat als de Hubble-constante, of H0. Een van deze teams, geleid door Adam Riess van de Johns Hopkins University, heeft consequent gemeten dat H0 ongeveer 8% hoger is dan de theoretische voorspelling voor hoe snel de ruimte zou moeten uitdijen, gebaseerd op de bekende ingrediënten van de kosmos en de bepalende vergelijkingen. Deze discrepantie, bekend als de Hubble-spanning, suggereert dat het theoretische model van de kosmos mogelijk iets mist — een extra ingrediënt of effect dat de kosmische expansie versnelt. Zo'n ingrediënt zou een aanwijzing kunnen zijn voor een completer begrip van het heelal.

Riess en zijn team publiceerden dit voorjaar hun laatste meting van H0 op basis van Webb-gegevens, en kregen een waarde die overeenkomt met hun eerdere schattingen.

Maar jarenlang heeft een rivaliserend team onder leiding van Wendy Freedman van de Universiteit van Chicago voorzichtigheid betracht, met het argument dat schonere metingen nodig waren. De eigen metingen van H0 van haar team kwamen steevast dichter bij de theoretische voorspelling dan die van Riess, wat impliceert dat de Hubble-spanning mogelijk niet echt is.

Sinds de Webb-telescoop in 2022 begon met het verzamelen van gegevens, wachtte de astrofysicagemeenschap op Freedmans veelzijdige analyse met behulp van de observaties van de telescoop van drie soorten sterren. Nu zijn de resultaten binnen: twee soorten sterren leveren H0-schattingen op die overeenkomen met de theoretische voorspelling, terwijl de derde — hetzelfde type ster dat Riess gebruikt — overeenkomt met de hogere H0-waarde van zijn team.

Dat de drie methoden het niet met elkaar eens zijn, “vertelt ons niets over fundamentele fysica,” zei Freedman. “Dat vertelt ons dat er een systematische [fout] zit in een of meer van de afstandsmethoden.”

De resultaten van Freedman zijn ingediend bij The Astrophysical Journal, maar hebben nog geen formele peer review ondergaan, waarbij externe onderzoekers de gegevens en analyses anoniem controleren. Saul Perlmutter, een Nobelprijswinnende kosmoloog aan de University of California, Berkeley, die de preprint van het team te zien kreeg vóór de release, vertelde Quanta dat de resultaten suggereren dat “we mogelijk een Hubble-spanning hebben net binnen de [op sterren gebaseerde] metingen. Dat is de spanning die we echt moeten proberen te achterhalen, meer dan dat we proberen nieuwe [kosmologische] modellen te bedenken.”

Riess vertelde Quanta, na het bestuderen van de preprint, dat hij het niet eens is met de kleine set supernova's die Freedmans team gebruikte in een stap van de analyse, waarvan hij zegt dat ze de resultaten kunnen beïnvloeden. "De nieuwe metingen zijn prachtig en komen in feite uitstekend overeen met dezelfde metingen die ... enkele jaren geleden door onze groep zijn verkregen, dus de afstandsmetingen lijken onder controle te zijn", zei hij. "Ik vrees echter dat deze studie van zo'n klein supernovamonster een enigszins misleidende indruk geeft van de waarde van de Hubble-constante."

De resultaten komen na maanden van drama achter de schermen, aangezien Freedman aanvankelijk dacht dat haar analyse de Hubble-spanning had gedood, om deze vervolgens brullend weer tot leven te zien komen. "Het is echt ... niet saai, zal ik het zo zeggen", zei ze.

Dat is business as usual. Volgens Perlmutter "heeft de Hubble-constante zo'n lange en glorieuze traditie van een onmogelijk decennialang probleem." Een botsend universum

Het moeilijkste aan het meten van kosmische expansie is het meten van afstanden tot objecten in de ruimte. De Amerikaanse astronoom Henrietta Leavitt ontdekte in 1912 voor het eerst een manier om dit te doen met behulp van pulserende sterren die Cepheïden worden genoemd. Deze sterren flikkeren met een snelheid die verband houdt met (en dus kan onthullen) hun intrinsieke lichtsterkte. Zodra je weet hoe lichtgevend een Cepheïde is, kun je dat vergelijken met hoe helder of zwak hij lijkt om te schatten hoe ver zijn sterrenstelsel is.

Edwin Hubble gebruikte Leavitt's methode om de afstanden tot een handvol sterrenstelsels met Cepheïden erin te meten, ontdekte in 1929 dat sterrenstelsels die verder van ons af staan, sneller van ons af bewegen. Dat betekent dat het heelal uitdijt. Hubble schatte de expansiesnelheid op 500 kilometer per seconde per megaparsec (km/s/Mpc), wat betekent dat twee sterrenstelsels die 1 Mpc van elkaar verwijderd zijn, of ongeveer 3,2 miljoen lichtjaar, met 500 km/s uit elkaar vliegen.

Dat was enorm vergezocht.

De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble, ontdekker van kosmische expansie, is in 1949 afgebeeld terwijl hij door de Schmidt-telescoop van het Palomar Observatory bij San Diego tuurt. Met dank aan Caltech Archives and Special Collections

Metingen van H0 verbeterden toen astronomen beter werden in het kalibreren van de relatie tussen de pulsatiefrequentie van Cepheïden en hun lichtsterkte. Toch was de hele aanpak beperkt omdat Cepheïden niet zo helder zijn. Om de afstand tot sterrenstelsels in de uitgestrektheid van het heelal te meten, hadden wetenschappers een nieuwe aanpak nodig.

In de jaren 70 begonnen onderzoekers Cepheïden te gebruiken om de afstanden tot heldere supernova's te kalibreren, wat nauwkeurigere metingen van H0 mogelijk maakte. Toen, net als nu, liepen twee onderzoeksteams voorop, met behulp van supernova's die verankerd waren aan Cepheïden en kwamen tot uiteenlopende waarden van 50 km/s/Mpc en 100 km/s/Mpc. "Er was nooit sprake van overeenstemming; ze waren gewoon volledig gepolariseerd," zei George Efstathiou, een astrofysicus aan de Universiteit van Cambridge.

De lancering van de Hubble-ruimtetelescoop in 1990 gaf astronomen een nieuw, helder beeld van het heelal. Freedman leidde een meerjarige observatiecampagne met Hubble en in 2001 kondigden zij en haar collega's een expansiesnelheid van 72 km/s/Mpc aan, waarvan ze schatten dat dit maximaal 10% afweek.

Riess, een van de Nobelprijswinnende ontdekkers van donkere energie, sprong een paar jaar later in het spel van de kosmische expansie. In 2011 publiceerde zijn team een ​​H0-waarde van 73 met een geschatte onzekerheid van 3%.

Kort daarna ontwikkelden kosmologen een geheel andere methode. In 2013 gebruikten ze de observaties van het licht dat was overgebleven uit het vroege heelal van de Planck-telescoop om de gedetailleerde vorm en samenstelling van de oerkosmos te bepalen. Vervolgens stopten ze die ingrediënten in Einsteins algemene relativiteitstheorie en ontwikkelden ze het theoretische model bijna 14 miljard jaar vooruit om de huidige staat van het heelal te voorspellen. Deze extrapolatie voorspelt dat de kosmos momenteel met een snelheid van 67,4 km/s/Mpc zou moeten uitdijen, met een onzekerheid van minder dan 1%.

De meting van Riess' team, zelfs toen de precisie verbeterde, bleef op 73. Deze hogere waarde impliceert dat sterrenstelsels vandaag de dag sneller uit elkaar vliegen dan ze volgens de theorie zouden moeten. De Hubble-spanning was geboren. "Als het een echt kenmerk van het heelal is, dan vertelt het ons dat we iets missen in het kosmologische model", zei Riess.

Dit ontbrekende iets zou het eerste nieuwe ingrediënt van de kosmos zijn dat is ontdekt sinds donkere energie. Theoretici hebben gespeculeerd over de identiteit ervan: misschien is het een extra vorm van afstotende energie die een korte tijd in het vroege heelal heeft bestaan? Of misschien zijn het oermagnetische velden die zijn gegenereerd tijdens de oerknal?

Of misschien heeft het ontbrekende iets meer met ons te maken dan met het heelal. Manieren van kijken

Sommige kosmologen, waaronder Freedman, vermoeden dat onopgemerkte fouten de oorzaak zijn van de discrepantie.

Het meest voorkomende argument in deze trant is dat Cepheïden in de schijven van jongere sterrenstelsels leven, in gebieden vol met sterren, stof en gas. "Zelfs met de uitstekende resolutie van [Hubble] zie je geen enkele Cepheïde", zei Efstathiou, "je ziet hem overlappen met andere sterren." Deze congestie compliceert helderheidsmetingen.

Toen de Webb-telescoop ter grootte van een huis in december 2021 werd gelanceerd, schakelden Riess en zijn collega's over op de krachtige infraroodcamera om het stof in de drukke gebieden waar Cepheïden leven te doorboren. Ze wilden testen of drukte net zo'n sterk effect heeft als Freedman en andere onderzoekers hebben beweerd.

De 6,5 meter lange gesegmenteerde spiegel van de James Webb-ruimtetelescoop werd in 2017 getest in het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, jaren voor de lancering in december 2021. Desiree Stover/NASA

Toen ze hun nieuwe getallen vergeleken met de afstanden die waren berekend op basis van Hubble-telescoopgegevens, "zagen we een fenomenale overeenkomst", aldus Gagandeep Anand, een lid van het team van het Space Telescope Science Institute. "Dat vertelt ons in feite dat het werk dat met Hubble is gedaan nog steeds goed is."

Hun laatste resultaten met Webb bevestigen de H0-waarde die ze een paar jaar geleden met Hubble hebben gemeten: 73,0, plusminus 1,0 km/s/Mpc.

Gezien de bezorgdheid over de drukte had Freedman zich echter al tot alternatieve sterren gewend die kunnen dienen als afstandsindicatoren. Deze worden gevonden in de buitenwijken van sterrenstelsels, ver van de drukte.

Eén type is "tip-of-the-red-giant-branch" of TRGB-sterren. Een rode reus is een oude ster met een opgeblazen atmosfeer die fel rood licht geeft. Naarmate hij ouder wordt, zal een rode reus uiteindelijk het helium in zijn kern ontsteken. Op dat moment nemen zowel de temperatuur als de helderheid van de ster plotseling af, zei Kristen McQuinn, een astronoom bij het Space Telescope Science Institute die een Webb-telescoopproject leidde om afstandsmetingen te kalibreren met TRGB's.

Een typisch sterrenstelsel heeft veel rode reuzen. Als je de helderheid van deze sterren uitzet tegen hun temperaturen, zie je het punt waarop hun helderheid afneemt. De populatie sterren vlak voor de daling is een goede afstandsindicator, omdat die populatie in elk sterrenstelsel een vergelijkbare spreiding van lichtsterktes zal hebben. Door de waargenomen helderheid van deze stellaire populaties te vergelijken, kunnen astronomen relatieve afstanden schatten.

(Bij elke methode moeten de natuurkundigen de absolute afstand van ten minste één "anker"-sterrenstelsel afleiden om de hele schaal te kalibreren. Voor hun anker gebruiken Riess, Freedman en andere groepen een ongewoon nabijgelegen sterrenstelsel waarvan de absolute afstand geometrisch is bepaald door een parallax-achtig effect.)

TRGB's gebruiken als afstandsindicatoren is echter complexer dan Cepheïden. McQuinn en haar collega's gebruikten negen golflengtefilters van de Webb-telescoop om precies te begrijpen hoe hun helderheid afhangt van hun kleur.

Astronomen beginnen zich ook te richten op een nieuwe afstandsindicator: koolstofrijke reuzensterren die behoren tot wat de J-regio asymptotische reuzentak (JAGB) wordt genoemd. Deze sterren bevinden zich ook ver van de heldere schijf van een sterrenstelsel en zenden veel infrarood licht uit. De technologie om ze op grote afstanden te observeren was niet toereikend tot het Webb-tijdperk, zei Abigail Lee, de doctoraalstudent van Freedman.

Freedman en haar team vroegen Webb-telescooptijd aan om TRGB's en JAGB's te observeren, samen met de meer gevestigde afstandsindicatoren, de Cepheïden, in 11 sterrenstelsels. "Ik ben een groot voorstander van verschillende methoden", zei ze. Een verdampende oplossing

Op 13 maart 2024 zaten Freedman, Lee en de rest van hun team rond een tafel in Chicago om te onthullen wat ze voor zichzelf verborgen hadden gehouden. De afgelopen maanden waren ze in drie groepen verdeeld. Elke groep kreeg de taak om de afstand tot de 11 sterrenstelsels in hun onderzoek te meten met behulp van een van de drie methoden: Cepheïden, TRGB's of JAGB's. De sterrenstelsels herbergden ook de relevante soorten supernova's, dus hun afstanden konden de afstanden van supernova's in veel meer sterrenstelsels verder weg kalibreren. Hoe snel deze verder weg gelegen sterrenstelsels zich van ons verwijderen (wat gemakkelijk af te lezen is aan hun kleur) gedeeld door hun afstanden geeft H0.

De drie groepen hadden hun afstandsmetingen berekend met een unieke willekeurige offset toegevoegd aan de data. Toen ze elkaar persoonlijk ontmoetten, verwijderden ze elk van de offsets en vergeleken de resultaten.

Alle drie de methoden gaven vergelijkbare afstanden, binnen 3% onzekerheid. Het was "een beetje verbijsterend", zei Freedman. Het team berekende drie H0-waarden, één voor elke afstandsindicator. Allemaal kwamen ze binnen het bereik van de theoretische voorspelling van 67,4.

Op dat moment leken ze de Hubble-spanning te hebben gewist. Maar toen ze in de analyse doken om de resultaten op te schrijven, ontdekten ze problemen.

De JAGB-analyse was prima, maar de andere twee waren ernaast. Het team merkte op dat er grote foutbalken op de TRGB-meting stonden. Ze probeerden ze te verkleinen door meer TGRB's toe te voegen. Maar toen ze dat deden, ontdekten ze dat de afstand tot de sterrenstelsels kleiner was dan ze eerst dachten. De verandering leverde een grotere H0-waarde op.

Bij de analyse van de Cepheïden ontdekte het team van Freedman een fout: bij ongeveer de helft van de Cepheïden was de correctie voor crowding twee keer toegepast. Door dat te corrigeren, werd de resulterende H0-waarde aanzienlijk verhoogd. Het "bracht ons meer in overeenstemming met Adam [Riess], wat hem een ​​beetje gelukkiger zou moeten maken", aldus Freedman. De spanning van Hubble was weer terug.

Wendy Freedman van de Universiteit van Chicago onderzoekt hoe waarnemingen van de Webb-telescoop in overeenstemming kunnen worden gebracht met het standaard kosmologische model. foto Nancy Wong

Maar Freedman vermoedt dat de op Cepheïden gebaseerde H0-meting niet zo betrouwbaar is als de andere. Deze is extreem gevoelig voor aannames over bijvoorbeeld de elementaire samenstelling van de Cepheïden en de buurt van elke ster. Stof in de galactische schijven waar Cepheïden leven, kan hun licht absorberen en ze dimmen. De infraroodvisie van Webb doorboort het stof, maar astronomen moeten weten hoeveel stof licht absorbeert, zodat ze daarvoor kunnen corrigeren. Hiervoor wendden Freedman en haar collega's zich tot archiefgegevens van de Hubble-telescoop, die de "stofdiepte" vastleggen, maar die niet zo'n hoge resolutie hebben als Webb-gegevens. Dat voegde onzekerheden toe aan de berekende distances, zei ze.

Er kwam nog een ander probleem naar boven. De 11 sterrenstelsels die ze met de Webb-telescoop bestudeerden, zijn de sterrenstelsels die het dichtst bij de aarde staan ​​en die alle vier relevante objecten herbergen (JAGB's, TRGB's, Cepheïden en het relevante type supernova). Maar volgens Freedman leken de supernova's van de sterrenstelsels intrinsiek helderder te zijn dan die in verder weg gelegen sterrenstelsels. Riess en zijn collega's maken zich ook zorgen dat dit voorbeeld misleidend en bevooroordeeld kan zijn. Hoe dan ook, het is een andere puzzel die kosmologen nog moeten begrijpen, en het heeft ook invloed op de H0-waarde. "Ik denk dat dit het punt is waarop we ons de komende jaren allemaal echt moeten richten", zei Freedman.

Hun artikel vermeldt drie afzonderlijke H0-waarden. De JAGB-meting — degene die volledig blind werd uitgevoerd, zonder enige daaropvolgende correctie — geeft 67,96 km/s/Mpc, plusminus 1,71 km/s/Mpc. Dat komt bovenop de theoretische voorspelling, en lijkt het standaardmodel van de kosmologie te bevestigen.

TRGB's leveren een waarde op van 69,85 met vergelijkbare foutmarges. Het resultaat verlicht ook de Hubble-spanning.

De Cepheïdenmethode bracht de waarde van H0 hoger, op 72,05, maar met meer subjectiviteit: verschillende aannames over de kenmerken van de sterren zorgden ervoor dat de waarde varieerde van 69 tot 73. Het hoge uiteinde van het bereik komt overeen met de metingen van Riess; aan het lage uiteinde verdwijnt de Hubble-spanning vrijwel.

"Ik denk niet dat we zomaar kunnen zeggen dat de Hubble-constante 73 is", zei Freedman. "Ik denk dat dit de eerste test is van de Cepheïden-afstandsschaal", wat betekent dat JAGB's en TRGB's dienen als controle op de meer gevestigde methode. "En we krijgen niet hetzelfde antwoord als we de Cepheïden testen. Dus ik denk dat het belangrijk is."

Door de methoden en onzekerheden te combineren, werd een gemiddelde H0-waarde van 69,96 verkregen met een onzekerheid van 4%. Die foutenmarge overlapt zowel de theoretische voorspelling voor de kosmische expansiesnelheid als de hogere waarde van Riess' team.

"Ik denk dat we nog niet het bewijs hebben om ondubbelzinnig te concluderen dat er een [Hubble]-spanning is", zei Freedman. "Ik zie het gewoon niet."

"Alles hangt af van het opsporen van al deze systematische fouten", zei Perlmutter. Spanningen en resoluties

De James Webb-ruimtetelescoop maakt ook extra manieren mogelijk om H0 te meten. Astronomen bevinden zich bijvoorbeeld in de beginfase van het gebruik van hoe gevlekt een sterrenstelsel eruitziet als proxy voor zijn afstand. Het idee is eenvoudig: dichterbij gelegen sterrenstelsels zien er klonteriger uit omdat je sommige van hun sterren kunt onderscheiden, terwijl verder weg gelegen sterrenstelsels er gladder uitzien. "Het is in feite een manier om de drukte om te zetten in een maatstaf voor afstand", aldus Anand, die naast zijn werk met Riess ook bij dit project betrokken is.

Een andere methode biedt ook wat hoop: een enorme cluster van sterrenstelsels werkt als een kromgetrokken vergrootglas, dat het beeld van een object erachter buigt en vergroot en meerdere beelden van hetzelfde object creëert terwijl het licht ervan meerdere paden aflegt. De astronoom Brenda Frye van de Universiteit van Arizona leidt een programma om zeven clusters te observeren met de Webb-telescoop. Toen Frye en haar collega's vorig jaar naar hun eerste telescoopafbeelding keken, met de enorme cluster van sterrenstelsels G165, "zeiden we allemaal: 'Wat zijn die drie stippen die er eerst niet waren?'", herinnert ze zich. De stippen waren drie afzonderlijke afbeeldingen van dezelfde supernova die achter de cluster was ontploft.

Nadat ze de afbeelding herhaaldelijk hadden bekeken, konden ze de verschillen berekenen tussen de aankomsttijden van de drie lenzen van de supernova-afbeeldingen. De tijdvertraging is evenredig met de Hubble-constante en kan worden gebruikt om deze af te leiden. "[Het] is een one-step meting voor H0," zei Frye, "wat het volledig onafhankelijk maakt." Ze maten een expansiesnelheid van 75,4 km/s/Mpc, hoewel met een grote onzekerheid van +8,1 of -5,5 km/s/Mpc. Frye verwacht die foutbalken te verfijnen na nog een paar jaar van vergelijkbare metingen.

Zowel de teams van Riess als Freedman verwachten ook dat de komende paar jaar van JWST-observaties hen in staat zullen stellen om met hun traditionele, op sterren gebaseerde methoden een antwoord te vinden.

"Met de verbetering van de gegevens zal dit uiteindelijk worden opgelost, en ik denk vrij snel," zei Freedman. "We gaan dit tot op de bodem uitzoeken."

Vrij naar Liz Kruesi
Quanta Magazine