Webb werpt nieuw licht op mysterie van de Hubble-spanning

Als je een van de grootste raadsels in de kosmologie probeert op te lossen moet je je huiswerk drie keer controleren. De puzzel, de Hubble-spanning genoemd, is dat de huidige uitdijing van het heelal sneller is dan wat astronomen verwachten, gebaseerd op de beginomstandigheden van het heelal en ons huidige begrip van de evolutie van het heelal. Astronomen hebben de Hubble Space Telescope en veel andere telescopen gebruikt en vinden consequent een getal dat niet overeenkomt met de voorspellingen op basis van waarnemingen van de Planck-missie. Is er voor het oplossen van deze discrepantie nieuwe natuurkunde nodig? Of is het een gevolg van meetfouten tussen de twee verschillende methoden die worden gebruikt om de uitdijingssnelheid van het heelal te bepalen?

Een van de wetenschappelijke rechtvaardigingen voor het bouwen van de Hubble Space Telescope was het gebruik van zijn waarnemingsvermogen om een exacte waarde te geven voor de uitdijingssnelheid van het heelal.

Vóór de lancering van de Hubble in 1990 brachten waarnemingen met telescopen op de grond enorme onzekerheden met zich mee. Afhankelijk van de afgeleide waarde voor de uitdijingssnelheid zou het heelal ergens tussen de 10 en 20 miljard jaar oud kunnen zijn.

In de afgelopen 34 jaar heeft Hubble deze meting verkleind tot een nauwkeurigheid van minder dan 1%, waardoor het verschil werd opgesplitst in een leeftijdswaarde van 13,8 miljard jaar.

Dit is bereikt door het verfijnen van de zogenaamde “kosmische afstandsladder” door het meten van belangrijke mijlpaalmarkeringen die bekend staan als Cepheïde-variabele sterren.

De Hubble-waarde komt echter niet overeen met andere metingen die impliceren dat het heelal na de \oerknal sneller uitdijde.

Deze waarnemingen zijn gedaan door de Planck-satelliet van de ESA die de kosmische microgolfachtergrondstraling in kaart heeft gebracht.

De eenvoudige oplossing voor het dilemma zou zijn om te zeggen dat de Hubble-waarnemingen misschien verkeerd zijn, als gevolg van het feit dat er een of andere  onnauwkeurigheid in de metingen van de verre standaardkaarsen sluipt.

Maar toen kwam de Webb Space Telescope waarmee astronomen de resultaten van Hubble konden vergelijken.

Webb’s infraroodbeelden van Cepheïden wamen overeen met de optische gegevens van Hubble.

Webb bevestigde dat het scherpe oog van Hubble de hele tijd gelijk had. Waardoor elke aanhoudende twijfel over de metingen van Hubble werd weggenomen.

Het komt erop neer dat de Hubble-spanning tussen wat er in het nabije heelal gebeurt en de uitdijing van het vroege heelal een zeurende puzzel blijft voor kosmologen.

Vereist het oplossen van deze discrepantie nieuwe natuurkunde? Of is het een gevolg van meetfouten tussen de twee verschillende methodes die worden gebruikt om de uitdijingssnelheid van het heelal te bepalen?

Hubble en Webb hebben nu hun krachten gebundeld om definitieve metingen te verrichten, wat het argument versterkt dat iets anders – en geen meetfouten – de expansiesnelheid van het heelal beïnvloedt.

Nu de meetfouten zijn uitgesloten blijft er de reële en opwindende mogelijkheid over dat we het heelal verkeerd hebben begrepen. Dit zeggen astronomen van het onderzoeksteam.

Ter controle bevestigde een eerste Webb-waarneming in 2023 dat Hubble’s metingen van het uitdijende heelal accuraat waren.

In de hoop de Hubble-spanning te verlichten, speculeerden sommige astronomen echter dat onzichtbare fouten in de metingen groter zouden kunnen worden en zichtbaar zouden worden naarmate we dieper in het heelal kijken.

Met name stellaire crowding zou op systematische wijze de helderheidsmetingen van verder weg gelegen sterren kunnen beïnvloeden.

Het SH0ES-team heft met Webb aanvullende waarnemingen gedaan van objecten die cruciale kosmische standaardkaarsen zijn, de Cepheïde-variabele sterren, die nu kunnen worden gecorreleerd met de Hubble-gegevens.

De astronomen hebben nu het hele bereik van wat Hubble heeft waargenomen onderzocht en ze kunnen nu met zeer grote zekerheid een meetfout als oorzaak van de Hubble-spanning uitsluiten.

De eerste paar Webb-waarnemingen van het team in 2023 waren succesvol en toonden aan dat Hubble op de goede weg was bij het stevig vaststellen van de betrouwbaarheid van de eerste sporten van de zogenaamde kosmische afstandsladder.

Astronomen gebruiken verschillende methodes om relatieve afstanden in het heelal te meten, afhankelijk van het object dat wordt waargenomen.

Gezamenlijk staan deze technieken bekend als de kosmische afstandsladder; elke trede of meettechniek is voor kalibratie afhankelijk van de voorgaande stap.

Maar sommige astronomen suggereerden dat de kosmische afstandsladder, als hij langs de tweede sport naar buiten beweegt, wankel zou kunnen worden als de Cepheïde-metingen met de afstand minder nauwkeurig worden.

Dergelijke onnauwkeurigheden zouden kunnen optreden omdat het licht van een Cepheïde zich zou kunnen vermengen dat dat van een aangrenzende ster – een effect dat groter zou kunnen worden naarmate de afstand groter wordt naarmate sterren zich aan de hemel concentreren en moeilijker van elkaar zijn te onderscheiden.

De observationele uitdaging is dat eerdere Hubble-beelden van deze verder weg gelegen Cepheïden-variabelen er steeds meer ineengedoken en overlappend uitzien met naburige sterren op steeds grotere afstanden tussen ons en hun gaststelsels, waardoor zorgvuldig rekening moet worden gehouden met dit effect.

Tussenliggend stof compliceert de zekerheid van de metingen in zichtbaar licht verder.

Webb snijdt door het stof en isoleert de Cepheïden op natuurlijke wijze van naburige sterren, omdat zijn zicht op infrarode golflengtes scherper is dan dat van Hubble.

De combinatie van Webb en Hubble geeft astronomen het beste van twee werelden. Ze ontdekten dat de Hubble-metingen betrouwbaar blijven naarmate ze verder op de kosmische afstandsladder klimmen.

De nieuwe Webb-waarnemingen omvatten vijf gaststelsels van acht Type Ia-supernova’s met in totaal duizend Cepheïden, en reiken tot het verste sterrenstelsel waar Cepheïden goed zijn gemeten: NGC 5468 dat op een afstand van 130 miljoen lichtjaar van de Aarde staat.

Dit omvat het volledige bereik waar astronomen metingen met Hubble hebben gedaan. Ze zijn dus aan het einde van de tweede sport van de kosmische afstandsladder gekomen.

Het artikel van het team is in de Astrophysical Journal Letters gepubliceerd.

Artikel: Adam G. Riess et al. 2024. JWST Observations Reject Unrecognized Crowding of Cepheid Photometry as an Explanation for the Hubble Tension at 8σ Confidence. ApJL 962, L17; doi: 10.3847/2041-8213/ad1ddd

Eerste publicatie: 17 maart 2024
Bron: sci-news & anderen