Een van de grootste kosmische mysteries van vandaag betreft de uitdijing van het universum.
Tijdens de eerste miljard jaar van de geschiedenis van ons universum vertraagt de uitdijingssnelheid van het universum en stagneren verre melkwegstelsels vanaf onze jaartelling, naarmate de dichtheid van materie en straling afneemt. In de afgelopen 6 miljard jaar hebben verre sterrenstelsels hun stagnatie echter versneld, en het tempo van expansie, hoewel het blijft afnemen, gaat niet richting nul. Twee verschillende manieren om de uitzettingssnelheid te meten geven tegenstrijdige waarden; De werkelijke expansiesnelheid blijft controversieel.
Twee hoofdmethoden geven elk antwoorden met weinig fouten, maar zijn niet compatibel.
NASA’s JWST heeft ons voorbij de grenzen van enig eerder observatorium gebracht, inclusief alle telescopen op aarde op aarde en Hubble, en heeft ons de meest verre sterrenstelsels getoond die ooit in het universum zijn ontdekt. Als we de 3D-posities van de waargenomen en gemeten sterrenstelsels adequaat in kaart brengen, kunnen we een visuele flyby door het universum creëren, zoals CEERS-gegevens van JWST ons hier mogelijk maken. Het meten van de expansiesnelheid is een uitdaging, omdat verschillende methoden verschillende en onderling onverenigbare resultaten opleveren.
Door de evolutie van een vroeg overblijfselsignaal te volgen, meten we een expansie van 67 km/s/m².
We kunnen willekeurig terugkijken in het universum als onze telescopen het toelaten, en de cluster van melkwegstelsels moet een specifieke afstandsschaal onthullen – de akoestische schaal – die met de tijd op een bepaalde manier moet evolueren, net zoals de akoestische “pieken en dalen” in de kosmische microgolfachtergrond onthult dit. Schaal ook. De evolutie van deze schaal in de loop van de tijd is een vroeg overblijfsel dat een lage expansiesnelheid van ongeveer 67 km/sec/miljoen blokken onthult.
Door dichtbij te beginnen en te zien dat de speling toeneemt met de afstand, meten we 73 km/s/m per vierkante meter.
Het bouwen van de kosmische afstandsladder omvat het verplaatsen van ons zonnestelsel naar sterren, naar nabijgelegen sterrenstelsels, naar verre sterrenstelsels. Elke ’trede’ brengt zijn eigen onzekerheden met zich mee, vooral de sporten waarop de verschillende ‘lopen’ van de ladder aansluiten. Recente verbeteringen in de afstandsladder hebben echter aangetoond hoe sterk zijn resultaten kunnen zijn.
Deze discrepantie – de “Hubble-spanning” – is een recent kosmisch mysterie.
Recente meetspanningen van de afstandsladder (rood) met vroege signaalgegevens van de CMB en BAO (blauw) getoond als contrast. Het is aannemelijk dat de early sign-methode correct is en dat er een fundamentele fout zit in de afstandsladder; Het is aannemelijk dat er een kleinschalige fout is die de early sign-methode beïnvloedt en dat de afstandsschaal correct is, of dat beide groepen correct zijn en een of andere vorm van nieuwe fysica (hierboven weergegeven) de boosdoener is. Het idee dat er een vroege vorm van donkere energie was, is interessant, maar dat betekent dat er in de vroege tijden meer donkere energie was en dat het sindsdien (grotendeels) is uitgestorven.
Velen zouden verwachten dat een nootfout aan de kant van de “afstandsladder” de boosdoener is.
In 2001 waren er veel verschillende bronnen van fouten die de beste afstandsladdermetingen van de Hubble-constante, de uitdijing van het universum, konden vertekenen tot aanzienlijk hogere of lagere waarden. Dankzij het ijverige en zorgvuldige werk van velen is dit niet langer mogelijk, aangezien fouten sterk zijn verminderd. Nieuw JWST-werk, dat hier niet wordt getoond, heeft fouten met betrekking tot cepheïden en periodische helderheidsfouten verder verminderd dan hier wordt getoond.
We beginnen met het observeren van variabele sterren van Cepheïden in de Melkweg.
Veranderlijke ster RS Puppis, met zijn lichtecho’s die door interstellaire wolken schijnen. Variabele sterren zijn er in vele varianten. Een daarvan, cepheïden, kan zowel in ons sterrenstelsel als in sterrenstelsels tot op 50-60 miljoen lichtjaar afstand worden gemeten. Dit stelt ons in staat om afstanden van ons sterrenstelsel naar verre sterrenstelsels in het heelal te extrapoleren. RR Lyrae en AGB-taksterren kunnen op een vergelijkbare manier worden gebruikt.
We leiden hun exacte afstanden af door parallax.
De sterren die zich het dichtst bij de aarde bevinden, lijken cyclisch te bewegen ten opzichte van de verder weg gelegen sterren terwijl de aarde door de ruimte beweegt in een baan rond de zon. Voordat we het heliocentrische model creëerden, waren we niet op zoek naar “verschuivingen” met een basislijn van ~300.000.000 km over ongeveer 6 maanden, maar eerder een basislijn van ~12.000 km gedurende één nacht: de diameter van de aarde terwijl deze om haar as draait. De afstanden tot de sterren waren zo groot dat het eerste zicht, met een basislijn van 300 miljoen km, pas in de jaren 1830 werd ontdekt. Vandaag hebben we de parallax van meer dan een miljard sterren gemeten met de Gaia-missie van de European Space Agency.
Vervolgens meten we Cepheïden in goed gemeten nabije sterrenstelsels.
De bovenste twee panelen tonen twee nabije, esdoornrijke melkwegstelsels: NGC 4258 (links) en NGC 5584 (rechts), met daar overheen het gezichtsveld van JWST toegevoegd. Onderste panelen tonen JWST-weergaven, met afzonderlijk geselecteerde Cepheid-varianten gemarkeerd in elke afbeelding.
Ten slotte meten we Type Ia supernovae zowel binnen als buiten die sterrenstelsels, en relateren deze kosmische “graden” aan elkaar.
In 2019 waren er slechts 19 gepubliceerde sterrenstelsels met afstanden gemeten door Cepheïde variabele sterren waarin ook Type Ia supernovae werden waargenomen. We hebben nu afstandsmetingen van individuele sterren in sterrenstelsels die ook ten minste één Type Ia supernova hebben gehost in 42 sterrenstelsels, waarvan er 35 uitstekende afbeeldingen van Hubble hebben. Deze 35 sterrenstelsels worden hier getoond.
Zou de fout in Cepheïden onze gemeten expansiesnelheid kunnen vertekenen?
Het gebruik van de kosmische afstandsladder betekent het samenvoegen van verschillende kosmische schalen, aangezien men zich altijd zorgen maakt over de onzekerheid waar de verschillende “runs” van de ladder aansluiten. Zoals hier te zien is, zijn we nu minstens drie “runs” op die ladder gedaald, en de hele reeks metingen komen verbazingwekkend goed met elkaar overeen.
door Cepheïden gemeten in nabije sterrenstelselsJWST onderzoekt deze mogelijkheid.
Dit nabije spiraalstelsel, NGC 4258 (ook bekend als Messier 106), is ongeveer 20 miljoen lichtjaar verwijderd, maar bevat veel bekende cepheïden die lijken op de cepheïden in de Melkweg. Dit is een belangrijk sterrenstelsel voor het kalibreren van de kosmische afstandsschaal.
melkweg horloge NGC 4258vond JWST geen optische bias voor Algivides.
Deze afbeelding toont veel variabele sterren van Cepheïden uit verschillende perioden in het nabije sterrenstelsel NGC 4258: een belangrijk sterrenstelsel voor Cepheïdenkalibratie en afstand. De onderste zes rijen tonen dezelfde sterren gemeten door zowel Hubble (grijze labels) als JWST (paarse labels) op verschillende golflengten. De superieure resolutie in de JWST-afbeeldingen vermindert eerdere Hubble-fouten met grote en grote hoeveelheden, terwijl eerdere resultaten worden gevalideerd en consistent blijven.
In plaats daarvan bevestigde en versterkte het eerdere bevindingen van de Hubble Space Telescope.
Deze composietafbeelding toont het balkspiraalstelsel NGC 5584 met daarin de heldere supernova SN 2007af. Nabije sterrenstelsels met identificeerbare Cepheid-variabele sterren die ten minste één type Ia-supernova in zich hebben gehost, zijn ongelooflijk belangrijk voor de kosmologische afstandsladdermethode voor het meten van het uitdijende heelal.
Cepheïden in NGC 5584die ze ook had A (tijdperk 2007) een Type Ia supernovadie ook geen vooringenomenheid onthult.
Deze grafiek toont de relatie tussen de mate van helderheid van Cepheïden variabele sterren (y-as) versus hun periode van verandering (x-as) in de sterrenstelsels NGC 5584 (boven) en NGC 4258 (onder). Nieuwe JWST-gegevens worden in rood weergegeven, terwijl oude Hubble-gegevens in grijs worden weergegeven. De fouten en onzekerheden van deze relatie in beide sterrenstelsels zijn aanzienlijk verminderd, voornamelijk als gevolg van de superieure resolutie van JWST ten opzichte van die van Hubble.
de Glans relatieperiodede belangrijkste kalibratietool voor chronologie, is nu nauwkeuriger dan ooit.
Door een beter begrip van de cepheïdenvariabelen in de nabije sterrenstelsels NGC 4258 en NGC 5584 mogelijk te maken, heeft de JWST de onzekerheid in hun afstanden nog verder verminderd. De laagste punten in de grafiek tonen een schatting van de afstand tot NGC 5584 op basis van uitzettingspercentages afgeleid van de afstandsschaal (linkerkant) en wat wordt verwacht van de vroege-restmethode (rechterkant). De mismatch is groot en overtuigend.
Dankzij de superieure nauwkeurigheid heeft JWST alle onzekerheden teruggebracht tot de allerkleinste waarden.
Standaard kaarsen (links) en standaard linialen (rechts) zijn twee verschillende methoden die astronomen gebruiken om de uitbreiding van de ruimte op verschillende tijden/afstanden in het verleden te meten. Op basis van hoe grootheden zoals helderheid of hoekgrootte veranderen met de afstand, kunnen we de expansiegeschiedenis van het universum afleiden. Het gebruik van de kaarsmethode maakt deel uit van de afstandsladder en levert 73 km/sec/miljoen blokken op. Het gebruik van een liniaal maakt deel uit van de vroege indicatiemethode en levert 67 km/s/Mpc op. Met de nieuwe JWST-gegevens is het mysterie over de uitdijingssnelheid van het universum nog verder verdiept.
Mostly Mute Monday vertelt een astronomisch verhaal met foto’s en visuals en niet meer dan 200 woorden.
More Stories
Een nieuw rapport zegt dat het gebruik van ras en etniciteit soms “schadelijk” is in medisch onderzoek
SpaceX lanceert 23 Starlink-satellieten vanuit Florida (video en foto’s)
NASA zegt dat de “Halloween-komeet” zijn vlucht langs de zon niet heeft overleefd