Wat is de Hubble Constante?

Edwin Hubble
Edwin Hubble

De Hubble Constante (de wet van Hubble) is een eenheid die gebruikt wordt om de uitdijing van het heelal te beschrijven. Sinds de Oerknal ongeveer 13,82 miljard jaar geleden is het heelal groter en groter geworden. Het heelal dijt, naarmate het groter wordt, steeds sneller uit.

Wat interessant is aan deze uitdijing is niet alleen de snelheid van de uitdijing maar ook de gevolgen daarvan. Als de uitdijing begint te vertragen dan betekent dat dat er iets in het heelal is dat de groei vertraagt. Dat zou misschien wel donkere materie kunnen zijn die door onze huidige conventionele instrumenten niet kan worden waargenomen. Als het heelal steeds verder groeit dan kan dat mogelijk worden veroorzaakt doordat donkere energie de uitdijing versnelt.

In januari 2018 werd bekend dat metingen die met verschillende telescopen waren uitgevoerd lieten zien dat de versnelling van de uitdijing niet overal gelijk is. Het nabije heelal (dat werd gemeten door de Hubble Space Telescope en de GAIA-ruimtetelescoop) dijt met een snelheid van 73,5 kilometer per seconde per megaparsec uit terwijl het verder weg gelegen heelal (gemeten door de Planck ruimtetelescoop) langzamer is. Dit dijt met een snelheid van 67 kilometer per seconde per megaparsec uit. Een megaparsec is een miljoen parsec en komt overeen met ongeveer 3,3 miljoen lichtjaar. Dit zijn dus enorme snelheden.

Ontdekt door Hubble

De constante werd voor het eerst voorgesteld door de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble (ook de naamgever van de Hubble Space Telescope). Hubble bestudeerde sterrenstelsels en dan in het bijzonder die sterrenstelsels die ver van ons zijn verwijderd.

De astronoom Harlow Shapley had opgemerkt dat sterrenstelsels zich van ons af leken te bewegen en in 1929 ontdekte Hubble dat hoe verder sterrenstelsels van ons zijn verwijderd des te sneller ze leken te bewegen.

Destijds begrepen astronomen het fenomeen dat sterrenstelsels zich van elkaar weg bewegen maar tegenwoordig weten astronomen dat wat we eigenlijk waarnemen de uitdijing van het heelal is. Het maakt niet uit waar je je bevindt in het heelal, je ziet overal hetzelfde fenomeen gebeuren op dezelfde snelheid.

Doordat er tegenwoordig betere, gevoeligere telescopen zijn (waaronder de Hubble en de Europese GAIA die metingen doen aan Cepheïde veranderlijke sterren en andere telescopen die de constante kunnen extrapoleren aan de hand van de kosmische achtergrondstraling) zijn de berekeningen van Hubble in de laatste jaren flink verbeterd.

Relatie tussen de helderheid van een Cepheide en de afstand
Deze afbeelding illustreert de relatie tussen de helderheidsvariatie van een Cepheide en zijn lichtkracht. Als je de periode van de helderheidsverandering van een Cepheide weet kan je daaruit zijn absolute helderheid berekenen. Door het vergelijken van de absolute helderheid en de waargenomen helderheid kan de de afstand tot de ster berekenen. De metingen op grote afstanden werden uitgevoerd door de Spitzer Space Telescope (NASA/JPL-Caltech/Carnegie)

Cepheïde veranderlijke sterren

Er bestaan heel veel verschillende soorten veranderlijke sterren maar er is er eentje die heel geschikt is voor het bepalen van de Hubble Constante en dit zijn Cepheïde-veranderlijke sterren. Dit zijn sterren die regelmatig, met een periode van meestal tussen 1 en 100 dagen, in helderheid veranderen (Onze Poolster bijvoorbeeld is ook een Cepheïde-veranderlijke ster). Door het bepalen van de variabiliteit van de helderheid kunnen astronomen zeer nauwkeurig de afstand tot die ster berekenen.

Hoe helderder een Cepheïde is gezien vanaf de Aarde hoe beter die is te meten. Sommige Cepheïden kunnen vanaf de grond worden bekeken maar de nauwkeurigste metingen moeten vanuit de ruimte worden gedaan.

Edwin Hubble kon tot op 900.000 lichtjaar afstand Cepheïden meten maar in het immense heelal is dat in de spreekwoordelijke achtertuin van de Aarde. Verder weg in het heelal worden Cepheïden zwakker en worden metingen veel lastiger. Hier komt de Hubble Telescope om de hoek kijken. In 2013 werd de Europese GAIA gelanceerd en die is bezig om een uiterst nauwkeurige kaart te maken van de posities en de helderheden van ongeveer 1 miljard sterren. Deze gegevens dragen bij aan het verfijnen van de Hubble Constante.

Cepheïden zijn niet perfect geschikt voor het bepalen van afstanden in het heelal. Ze bevinden zich bijvoorbeeld vaak in stoffige gebieden en de meer verre Cepheïden zijn lichtzwak en daardoor nauwelijks goed te bestuderen.

Er zijn andere technieken ontwikkeld als aanvulling op de Cepheïdemetingen, zoals de Tully-Fisher relatie. Dit is een correlatie tussen de lichtkracht van een spiraalvormig sterrenstelsel en zijn draaiingssnelheid. Het idee achter deze relatie is dat een sterrenstelsel sneller draait naarmate de grootte toeneemt. Als je dus de draaiingssnelheid van een spiraalstelsel weet dan kan je aan de hand van de Tully-Fisher relatie de intrinsieke helderheid afleiden (dat is de werkelijke helderheid van het sterrenstelsel). Door de intrinsieke helderheid te vergelijken met de schijnbare helderheid (dat is de helderheid die je waarneemt waarbij verre sterrenstelsels lichtzwakker lijken te zijn) kan je de afstand berekenen.

Telescopen die de kosmische achtergrondstraling meten, zoals de Europese Planck Space Telescope, gebruiken een heel andere techniek die kijkt naar fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling om de constante te bepalen.

 

Eerste publicatie: 26 september 2018