Das Universum scheint sich schneller auszudehnen als es sollte. Und niemand weiß warum - und neue ultrapräzise Entfernungsmessungen haben dieses Problem nur verschärft.
Am
3. Dezember anklickbar , hatte die Menschheit plötzlich die Informationen, die wir seit undenklichen Zeiten erhalten wollten: die genaue Entfernung zu den Sternen.
"Geben Sie den Namen eines Sterns oder seinen Standort ein und in einer Sekunde erhalten Sie eine Antwort", sagte Barry Mador , Kosmologe an der University of Chicago und den Carnegie Observatories, während eines Videoanrufs. "Im Allgemeinen ..." - er verstummte.
"Wir sind mit diesen Daten überschwemmt", sagte Wendy Friedman , eine Kosmologin an denselben Universitäten und Madors Frau und Kollegin.
"Sie können meine Aufregung darüber nicht übertreiben", sagte Adam Riess von der Johns Hopkins University, der 2011 den Nobelpreis für seinen Beitrag zur Entdeckung der dunklen Energie erhielt , telefonisch . "Lass mich zum Video wechseln, um dir zu zeigen, was mich so fasziniert hat?" Wir haben auf Zoom umgestellt, damit er seinen Bildschirm freigeben kann, auf dem wunderschöne Grafiken neue Daten zu den Positionen der Sterne beschreiben.
Diese Daten wurden vom Gaia-Raumschiff gesammelt Europäische Weltraumorganisation. Seit sechs Jahren starrt er die Sterne von einerinhalb Millionen Kilometern an. Das Teleskop hat die Parallaxen von 1,3 Milliarden Sternen gemessen - winzige Änderungen der scheinbaren Positionen von Sternen, die die Entfernung zu ihnen verraten. "Parallaxe von Gaia ist die genaueste Entfernungsmessung aller Zeiten", sagte Joe Bovey , Astrophysiker an der Universität von Toronto.
Und was für Kosmologen am angenehmsten ist, der neue Gaia-Katalog enthält spezielle Sterne, deren Entfernungen als Maßstab für alle anderen, weiter entfernten Entfernungen dienen. Daher verschärften die neuen Daten sofort das größte Problem der modernen Kosmologie: die unerwartet schnelle Expansion des Universums, die "Hubble-Spannung" [Hubble-Spannung].
Die Spannung ist wie folgt: Auf der Grundlage der bekannten Komponenten des Universums und der Gleichungen, die es regeln, stellt sich heraus, dass es sich mit einer Geschwindigkeit von 67 km pro Sekunde pro Megaparsec ausdehnen sollte - dh mit jeder zusätzlichen Megaparsec zwischen uns und Die Galaxie sollte 67 km schneller von uns wegfliegen ... Die tatsächlichen Messungen überschreiten diesen Wert jedoch konstant. Galaxien fliegen zu schnell. Diese Diskrepanz deutet auf eine beunruhigende Vorstellung hin, dass es einen Beschleunigungsfaktor geben muss, der uns im Weltraum unbekannt ist.
"Es wäre unglaublich großartig, neue Physik zu entdecken", sagte Friedman. „Ich hoffe insgeheim, dass auf dieser Basis eine Entdeckung gemacht werden kann. Aber wir müssen sicherstellen, dass wir Recht haben. Es gibt noch viel zu tun, bevor dies explizit gemacht wird. “
Diese Arbeit beinhaltet die Reduzierung möglicher Fehlerquellen bei den Expansionsratenmessungen. Die größte dieser Quellen war die Entfernung zu den uns am nächsten gelegenen Sternen - und diese Entfernung wurde durch neue Parallaxendaten verfeinert.
In einem Papier in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht PapierDas Team von Riesz nutzte die neuen Daten, um die Expansionsrate zu verfeinern. Sie haben 73,2 km pro Sekunde pro Megaparsec erreicht, was ihren vorherigen Schätzungen entspricht. Erst jetzt ist der Fehler auf 1,8% gesunken. Dies verstärkt nur die Diskrepanz mit der vorhergesagten Geschwindigkeit 67.
Friedman und Mador planen bald, ihre eigene neue und verbesserte Messung dieser Geschwindigkeit zu veröffentlichen . Sie glauben auch, dass die neuen Daten ihre Dimensionen nur stärken, aber nicht ändern werden, obwohl sie kleiner als die von Riesz und anderen Gruppen waren, aber die Vorhersagen immer noch übertrafen.
Seit dem Start von Gaia im Dezember 2013 wurden zwei umfangreiche Datensätze veröffentlicht, die das Verständnis der uns am nächsten gelegenen Teile des Kosmos revolutioniert haben. Gaias frühere Parallaxenmessungen enttäuschten jedoch alle. "Als wir uns die erste Datenveröffentlichung im Jahr 2016 angesehen haben," hatten wir Lust zu weinen ", sagte Friedman.
Ein unerwartetes Problem
Wenn Parallaxen leichter zu messen wären, hätte die kopernikanische Revolution früher stattfinden können.
Im 16. Jahrhundert schlug Kopernikus vor, dass sich die Erde um die Sonne dreht [solche Annahmen wurden lange vor ihm geäußert, aber in Europa wurde das geozentrische System als allgemein anerkannt angesehen ]. Doch schon damals wussten die Astronomen von Parallaxe. Wenn Copernicus Recht hatte und sich die Erde bewegt, dann erwarteten sie, dass sich die Positionen der Sterne am Himmel verschieben - genau wie sich der Laternenpfahl relativ zu den entfernten Hügeln dahinter verschiebt, wenn Sie die Straße überqueren. Der Astronom Tycho Brahe entdeckte solche Verschiebungen nicht und kam zu dem Schluss, dass sich die Erde nicht bewegte.
Und doch bewegt es sich und die Sterne verschieben sich, wenn auch sehr wenig, da sie sich sehr weit von uns entfernt befinden.
Erst 1838 konnte der deutsche Astronom Friedrich Wilhelm Bessel eine Sternparallaxe nachweisen. Bessel maß die Winkelverschiebung des 61 Cygnus- Sternensystems in Bezug auf die umgebenden Sterne und kam zu dem Schluss, dass es sich in einer Entfernung von 10,3 Lichtjahren von uns befindet [im bildlichen Ausdruck seiner Zeitgenossen, „zum ersten Mal viel geworfen in die Tiefen des Universums, erreichte den Boden ”/ ca. ... pro.]. Und seine Messungen unterschieden sich nur um 10% von der Wahrheit - die neuen Messungen von Gaia besagen, dass sich die beiden Sterne dieses Systems in einer Entfernung von 11.4030 und 11.4026 Lichtjahren von uns befinden, ein paar Tausendstel geben oder nehmen.
System 61 Swan ist uns sehr nahe. Typischere Sterne in der Milchstraße bewegen sich nur um Hundertstel Bogensekunden - hundertmal weniger als ein Pixel in einer modernen Teleskopkamera. Um ihre Bewegung zu bestimmen, sind spezielle ultra-stabile Geräte erforderlich. Gaia wurde speziell für diesen Zweck entwickelt, aber als das Teleskop eingeschaltet wurde, hatten wir ein unvorhergesehenes Problem.
Das Teleskop blickt gleichzeitig in zwei Richtungen und verfolgt den Winkeldifferenz zwischen den Sternen in zwei Sichtfeldern, erklärte Lennart Lindergen , einer der Autoren des Gaia-Projekts von 1993, und der Leiter des analysierenden Teams neue Parallaxendaten. Für eine genaue Parallaxenmessung muss der Winkel zwischen den beiden Sichtfeldern konstant bleiben. Zu Beginn der Mission stellten die Wissenschaftler jedoch fest, dass dies nicht der Fall war. Das Teleskop bog sich leicht, als es sich in Bezug auf die Sonne drehte, was dazu führte, dass Vibrationen in seine Bewegung eindrangen, die die Parallaxe nachahmte. Schlimmer noch, diese Verschiebung war komplex abhängig von der Position der Objekte, ihrer Farbe und Helligkeit.
Als die Daten gesammelt wurden, stellten die Wissenschaftler jedoch fest, dass es einfacher sein würde, die falsche Parallaxe von der realen zu trennen. Lindegren und seine Kollegen konnten den größten Teil des Teleskop-Wackelns aus den neuen Daten entfernen und eine Formel ableiten, mit der Forscher Änderungen der Parallaxe basierend auf Position, Farbe und Helligkeit eines Sterns korrigieren können.
Die Treppe hinaufsteigen
Mit den neuen Daten konnten Riess, Friedman und Mador und ihre Teams die Expansionsrate des Universums neu berechnen. Um die Expansionsrate zu messen, müssen Sie im Allgemeinen verstehen, wie weit Galaxien von uns entfernt sind und wie schnell sie sich von uns entfernen. Die Geschwindigkeit zu messen ist einfach, aber die Entfernung ist schwierig.
Die genauesten Messungen beruhen auf komplexen Leitern kosmischer Entfernungen". Der erste Schritt sind die" Standardkerzen "- die Sterne innerhalb und außerhalb unserer Galaxie mit einer genau definierten Helligkeit, die nahe genug an uns liegen, um ihre Parallaxe zu messen - und dies ist die einzige Möglichkeit, die Entfernung zu einem Objekt zu messen Astronomen vergleichen dann die Helligkeit dieser Standardkerzen mit der Helligkeit der dunkleren in nahe gelegenen Galaxien, um ihre Entfernung zu berechnen. Dies ist die zweite Stufe der Leiter. Sie kennen die Entfernung zu Galaxien, die ausgewählt wurden, weil sie seltene und helle Explosionen haben vom Typ Ia Supernovae.Astronomen können die relativen Entfernungen zu noch weiter entfernten Galaxien messen, wo es auch Supernovae vom Typ Ia gibt, die für uns bereits dunkler sind. Das Verhältnis der Geschwindigkeit dieser entfernten Galaxien zu ihrer Entfernung gibt die Geschwindigkeit der Expansion des Weltraums an.
Parallaxen sind daher für dieses gesamte Design von entscheidender Bedeutung. "Ändern Sie den ersten Schritt - die Parallaxen - und alle folgenden Schritte werden sich auch ändern", sagte Riess, einer der führenden Anbieter im Ansatz der Distanzleiter. "Ändern Sie die Genauigkeit des ersten Schritts, die Genauigkeit von allem anderen ändert sich."
Riesz 'Team verwendete eine neue Gaia-gemessene 75- Cepheid- Parallaxe - pulsierende variable Sterne, die von ihnen als bevorzugte Standardkerzen ausgewählt wurden - um ihre Messung der Expansionsrate des Universums neu zu kalibrieren.
Friedman und Mador, die Hauptkonkurrenten von Riess im Fernleiterspiel, haben in den letzten Jahren begonnen zu argumentieren, dass die Cepheiden möglicherweise einen Fehler verbergen, der die oberen Sprossen der Leiter betrifft. Ohne sich auf sie zu verlassen, kombiniert das Team daher Messungen basierend auf verschiedenen Standardkerzen aus dem Gaia-Datensatz - Cepheiden, RR Lyrae-Variablen, Sterne von der Spitze des roten Riesenastes usw. Kohlenstoffsterne .
"Gaias neue Daten bieten uns eine sichere Plattform", sagte Mador. Sie und Friedman stellten fest, dass die neuen Daten und ihre Anpassungsformel gut funktionieren. Bei Verwendung verschiedener Methoden zur Erstellung und Analyse von Messungen fallen die Punkte in der Grafik, die Cepheiden und andere Sterne bezeichnen, fast ohne zu zögern wunderschön auf gerade Linien und sprechen von zufälligen Fehlern.
"Es zeigt, dass wir wirklich echte Daten erhalten", sagte Mador.