Crisis in de kosmologie?

Deze afbeelding toont de verre quasar J043947.08+163415.7 die met behulp van de Hubble Space Telescope is waargenomen. Het is een van de helderste objecten in het jonge heelal maar door de enorme afstand tot de Aarde werd de quasar pas zichtbaar doordat hij met behulp van een zwaartekrachtslens helderder werd afgebeeld. De Hubble is de enige telescoop die het stelsel van afbeeldingen en de oorspronkelijke lens optisch van elkaar kan onderscheiden.
By ESA/Hubble, CC BY 4.0, Link

Een groep astronomen onder leiding van de universiteit van Californië heeft aan de hand van nieuwe gegevens berekend dat het heelal veel sneller uitdijt dan voorheen werd aangenomen. Het onderzoek volgt op een verhit debat over hoe snel het heelal eigenlijk uitdijt. De metingen tot nu toe verschillen van elkaar.

Het team dat de nieuwe waarde voor de Hubble Constante, de snelheid waarmee het heelal uitdijt, heeft behaald heeft gebruik gemaakt van een nieuwe methodiek. Ze gebruikten de Hubble Space Telescope in combinatie met het Adaptieve Optiek-systeem van de Keck sterrenwacht op Hawaii. Ze bestudeerden drie zwaartekrachtlenssystemen. Het is voor het eerst dat adaptieve optiek vanaf de Aarde wordt ingezet om de Hubble Constante te bepalen.

De resultaten van het onderzoek werden onlangs gepubliceerd in het tijdschrift “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Analyse van de resultaten

Om elke vooringenomenheid uit te sluiten werd de analyse van de gegevens blind uitgevoerd. Tijdens het verwerken van de gegevens hield het team het antwoord voor zichzelf verborgen totdat ze overtuigd waren dat ze alle mogelijke foutenbronnen die ze maar konden bedenken, hadden aangepakt. Op die manier werd voorkomen dat ze aanpassingen deden om aan de “juiste” waarde te komen.

Nadat alle problemen met de analyse van de data waren opgelost werd pas naar het resultaat gekeken met de afspraak dat de gevonden waarde, wat die ook zou zijn, gepubliceerd zou worden.

Het bleek dat de gevonden waarde voor de Hubble Constante overeenkomt met metingen van objecten die relatief dicht bij de Aarde staan. Dit zijn o.a. type Ia supernova en systemen van zwaartekrachtlenzen.

De resultaten dragen bij aan het groeiende bewijs dat er iets niet goed is aan het standaard model van de kosmologie dat zegt dat het heelal kort na zijn ontstaan heel erg snel groter werd. Daarna vertraagde de uitdijing als gevolg van de aantrekkingskracht van donkere materie waarna er opnieuw een versnelling van de uitdijing plaatsvond die door donkere energie wordt veroorzaakt.

Dit model voor de uitdijingsgeschiedenis van het heelal is tot stand gekomen met behulp van de traditionele Hubble Constante die is bepaald met behulp van “verre” waarnemingen van de kosmische achtergrondstraling. Dit is het resterende straling van de Oerknal die vrijkwam toen het heelal 13,8 miljard jaar geleden begon.

Meer recent zijn verschillende onderzoeksgroepen andere technieken gaan toepassen en andere delen van het heelal gaan bestuderen. Op die manier werd een verschil gevonden tussen de waardes van de Hubble Constante die op de “verre” en de “lokale” manier was verkregen.

Dit is de crisis in de kosmologie. De Hubble Constante is overal in de ruimte constant op een bepaalde tijd maar niet constant in de tijd. Als astronomen dus de Hubble Constantes vergelijken die met de verschillende technieken zijn bepaald dan vergelijken ze het hele jonge heelal (verre waarnemingen) met het oudere, nieuwere heelal (de lokale waarnemingen).

Dat betekent dat er ofwel een probleem is met de metingen van de kosmische achtergrondstraling, iets dat men eigenlijk heel onwaarschijnlijk acht, of het standaard model van de kosmologie dat op de een of andere manier aangepast moet worden met de nieuwe natuurkunde om zo te corrigeren voor de gevonden verschillen.

Methodiek

De onderzoekers gebruikten de adaptieve optiek van de Keck sterrenwacht in combinatie met de Near-Infrared Cam (NIRC2), gekoppeld aan de Keck II telescoop. Ze deden lokale metingen aan de drie goedbekende quasars PG 1115+ 080, HE 0435-1223 en RXJ 1131-1231.

Quasars zijn extreem heldere, actieve sterrenstelsels die vaak grote jets hebben die worden veroorzaakt door een zeer actief superzwaar zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel.

Ofschoon quasars zich vaak op extreem grote afstanden bevinden kunnen astronomen ze door middel van zwaartekrachtslenzen goed bestuderen. Dit fenomeen werkt als een natuurlijk vergrootglas. Als een voldoende zwaar sterrenstelsel dichter bij de Aarde zich in het licht van de verre quasar bevindt dan kan dit sterrenstelsel als een lens werken; het zwaartekrachtsveld kromt de ruimte waardoor het achtergrondlicht van de quasar in verschillende afbeeldingen wordt afgebogen en zien ze er ook erg helder uit.

De helderheid van de quasar varieert in de tijd en omdat ieder beeld overeenkomt met een iets andere lichtweg van de quasar naar de telescoop flikkert het licht voor ieder beeld steeds een beetje anders. Het licht komt dus niet allemaal tegelijkertijd op Aarde aan.

Het team gebruikte HE 0435-1223, PG 115+ 080 en RXJ 1131-1231 om deze tijdsvertragingen te bepalen want deze zijn omgekeerd evenredig aan de waarde van de Hubble Constante. Dit maakt het voor astronomen mogelijk om het licht van deze verre quasars te decoderen en te gebruiken voor het berekenen van de expansie van het heelal gedurende de tijd dat het licht van de quasar op weg was naar de Aarde.

Een van de belangrijkste ingrediënten bij het gebruik van zwaartekrachtslenzen om de Hubble Constante te bepalen is zeer gevoelige apparatuur die in hoge resolutie opnames kan maken. Tot nu toe waren de beste waardes van de Hubble Constante bepaald met behulp van de Hubble Space Telescope. Toen de astronomen naar hun blind geproduceerde resultaten keken viel hun twee dingen op. Ten eerste waren de gevonden waardes in overeenstemming met metingen gebaseerd op de Hubble Space Telescope. Hiermee werd aangetoond dat adaptieve optiek als krachtig alternatief gebruikt kan worden naar de Hubble. Ten tweede zag men dat het combineren van adaptieve optiek en Hubble data leidde tot een nauwkeuriger resultaat.

De volgende stappen

Verschillende onderzoeksgroepen over de hele wereld doen nader onderzoek aan de Hubble Constante. Nu dat men weet dat adaptieve optiek even prachtig is als de Hubble Space Telescope kunnen astronomen deze methodiek toevoegen aan het scala aan technieken dat ze hebben voor het bepalen van de Hubble Constante.

Met behulp van deze methode kunnen er meer zwaartekrachtslensstelsels onderzoeken om zo de nauwkeurigheid van de metingen van de Hubble Constante te verbeteren. Misschien zal dit leiden tot een completer kosmologisch model van het heelal.

Artikel: “A SHARP view of H0LiCOW: H0 from three time-delay gravitational lens systems with adaptive optics imaging”

 

 

Eerste publicatie: 28 oktober 2019
Bron: spacedaily.com en anderen




%d bloggers liken dit: