Das Webb-Weltraumteleskop misst die Expansionsrate des Universums

Kombinierte Beobachtungen der NIRCam (Nah-Infrarot-Kamera) der NASA und der WFC3-Kamera (Wide Field Camera 3) der NASA zeigen die Spiralgalaxie NGC 5584, 72 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Zu den hellen Sternen in NGC 5584 gehören Pulsare, sogenannte Cepheid-Variable, und eine Supernova vom Typ Ia, eine besondere Klasse explodierender Sterne. Astronomen nutzen Cepheid-Variablen und Typ-Ia-Supernovae als zuverlässige Entfernungsmarker, um die Expansionsrate des Universums zu messen. Bildquelle: NASA, ESA, CSA und A. Riess (STScI)

Die Hubble-Spannung bezieht sich auf den Unterschied zwischen der beobachteten und der erwarteten Expansionsrate des Universums. Die James Webb-Weltraumteleskop Revidiert zuvor durchgeführte Messungen Hubble-Weltraumteleskop. Trotz der Fortschritte bleiben Fragen zur schnellen Expansion des Universums und möglichen zugrunde liegenden kosmischen Phänomenen bestehen.

Die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, bekannt als Hubble-Konstante, ist eines der grundlegenden Kriterien für das Verständnis der Entwicklung und des endgültigen Schicksals des Universums. Es besteht jedoch ein anhaltender Unterschied, der als „Hubble-Spannung“ bezeichnet wird und zwischen dem Wert der Konstante, der durch eine Vielzahl unabhängiger Distanzindizes gemessen wird, und dem daraus erwarteten Wert auftritt die große Explosion Dämmerung.

NASADas James-Webb-Weltraumteleskop bietet neue Möglichkeiten zur Untersuchung und Verfeinerung einiger der stärksten Beobachtungsbeweise für diese Spannung. Nobelpreisträger Adam Ries von der Johns Hopkins University und dem Space Telescope Science Institute stellt die jüngste Arbeit von ihm und seinen Kollegen vor, die Webb-Beobachtungen nutzt, um die Genauigkeit lokaler Messungen der Hubble-Konstante zu verbessern.

Die Herausforderung der kosmologischen Messung

„Hatten Sie schon einmal Schwierigkeiten, eine Markierung zu erkennen, die sich am Rande Ihres Sichtfelds befand? Was steht darauf? Was bedeutet sie? Selbst mit den leistungsstärksten Teleskopen scheinen die „Markierungen“, die Astronomen lesen möchten, so klein zu sein, dass wir Schwierigkeiten haben.“ , zu.“

„Das Zeichen, das Kosmologen lesen wollen, ist das Zeichen der kosmischen Geschwindigkeitsbegrenzung, das uns sagt, wie schnell sich das Universum ausdehnt – eine Zahl, die Hubble-Konstante genannt wird. Unser Zeichen steht in den Sternen entfernter Galaxien. Die Helligkeit einiger Sterne in.“ Diese Galaxien sagen uns, wie weit sie entfernt sind und wie lange das Licht daher gereist ist.“ Um uns zu erreichen, sagen uns die Rotverschiebungen der Galaxien, wie stark sich das Universum in diesem Zeitraum ausgedehnt hat, und damit auch die Expansion ein Durchschnitt.

Dieses Diagramm zeigt die kombinierte Leistung der NASA-Weltraumteleskope Hubble und Webb bei der Bestimmung präziser Entfernungen zu einer speziellen Klasse veränderlicher Sterne, die zur Kalibrierung der Expansionsrate des Universums verwendet werden. Diese veränderlichen Sterne der Cepheiden sind in überfüllten Sternfeldern zu sehen. Lichtverschmutzung durch umgebende Sterne kann dazu führen, dass die Messung der Helligkeit von Cepheid ungenauer wird. Webbs schärfere Infrarotansicht ermöglicht eine deutlichere Isolierung des Cepheid-Ziels von umgebenden Sternen, wie auf der rechten Seite des Diagramms zu sehen ist. Webbs Daten bestätigen die Genauigkeit von 30 Jahren Hubble-Beobachtungen von Cepheiden, die entscheidend für die Bestimmung der untersten Stufe der kosmischen Entfernungsskala zur Messung der Expansionsrate des Universums waren. Auf der linken Seite ist NGC 5584 in einem zusammengesetzten Bild von Webb NIRCam (Nahinfrarotkamera) und Hubbles Wide Field Camera 3 zu sehen. Bildnachweis: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

„Eine bestimmte Klasse von Sternen, die Cepheid-Variablen, lieferten uns seit mehr als einem Jahrhundert die genauesten Entfernungsmessungen, weil diese Sterne außergewöhnlich hell sind: Es handelt sich um Riesensterne mit der hunderttausendfachen Leuchtkraft der Sonne. Darüber hinaus pulsieren sie ( d. h. sie dehnen sich aus und schrumpfen in ihrer Größe) über einen Zeitraum von Wochen und geben ihre relative Helligkeit an. Je länger der Zeitraum, desto heller sind sie an sich. Es ist das Goldstandardinstrument zur Messung von Abständen zwischen Galaxien von hundert Millionen Lichtjahren oder weiter entfernt, und stellt einen entscheidenden Schritt bei der Bestimmung der Hubble-Konstante dar. Leider sind Sterne in Galaxien aus unserer entfernten Sicht in einem kleinen Bereich zusammengeballt, sodass uns oft die Auflösung fehlt, sie von ihren Nachbarn in der Sichtlinie zu trennen.

Hubbles Beitrag und Webbs Entwicklungen

„Der Hauptgrund für den Bau des Hubble-Weltraumteleskops war die Lösung dieses Problems. Vor dem Start von Hubble im Jahr 1990 und den darauffolgenden Cepheid-Messungen war die Expansionsrate des Universums so ungewiss, dass Astronomen nicht sicher waren, ob sich das Universum um 10 oder 20 Milliarden ausdehnte.“ Milliarden Jahre. Dies liegt daran, dass eine schnellere Expansionsrate zu einem jüngeren Alter des Universums und eine langsamere Expansionsrate zu einem höheren Alter des Universums führen wird. Hubble hat deshalb eine bessere Auflösung im sichtbaren Wellenlängenbereich als jedes bodengestützte Teleskop befindet sich über den Nebeleffekten der Erdatmosphäre. Dadurch kann es einzelne Cepheidenvariablen in weiter als hundert Millionen Lichtjahren entfernten Galaxien identifizieren und das Zeitintervall messen, in dem sich seine Helligkeit ändert.

„Allerdings müssen wir auch Cepheid-Sterne im nahen Infrarotbereich des Spektrums beobachten, um das Licht zu sehen, das den dazwischenliegenden Staub unbeschadet durchdringt. (Der Staub absorbiert und streut blaues optisches Licht, wodurch entfernte Objekte schwach erscheinen und uns zum Nachdenken verleitet.) (Sie sind weiter entfernt als sie.) Leider ist Hubbles Sicht auf rotes Licht nicht so scharf wie blaues Licht, sodass das Licht der Cepheiden, das wir dort sehen, mit anderen Sternen in seinem Sichtfeld vermischt ist. Wir können den durchschnittlichen Grad der Vermischung berechnen , Statistisch gesehen, auf die gleiche Weise, wie ein Arzt Ihr Gewicht berechnet, indem er das durchschnittliche Gewicht der Kleidung vom Skalenwert abzieht, aber dadurch werden die Messungen verwirrender. Die Kleidung einiger Menschen ist schwerer als die anderer.

„Die scharfe Infrarotsicht ist jedoch eine der Superkräfte des James Webb-Weltraumteleskops. Mit seinem großen Spiegel und seiner empfindlichen Optik kann es Cepheid-Licht leicht und mit geringer Vermischung von nahegelegenen Sternen trennen. In Webbs erstem Betriebsjahr mit unserem Beobachterprogramm In.“ 1685 sammelten wir Beobachtungen von Cepheiden, die Hubble in zwei Schritten entlang der sogenannten kosmischen Distanzleiter gefunden hatte. Der erste Schritt beinhaltet die Beobachtung von Cepheiden in einer Galaxie mit einer bekannten geometrischen Entfernung, die es uns ermöglicht, die wahre Leuchtkraft der Cepheiden zu kalibrieren. Für uns Programm, diese Galaxie ist NGC 4258. Der zweite Schritt besteht darin, die Cepheiden in den Wirtsgalaxien der jüngsten Supernovae vom Typ Ia zu beobachten. Durch die Kombination der ersten beiden Schritte wird das Wissen über die Entfernung zu den Supernovae übertragen, um ihre wahre Helligkeit zu kalibrieren. Der dritte Schritt besteht darin Beobachten Sie die entfernten Supernovae, bei denen die Expansion des Universums offensichtlich ist und durch den Vergleich von Entfernungen gemessen werden kann, die aus den Helligkeiten und Rotverschiebungen der Supernova-Wirtsgalaxien abgeleitet werden. Diese Schrittfolge wird als Entfernungsleiter bezeichnet.

„Wir haben kürzlich die ersten Webb-Messungen aus den Schritten 1 und 2 erhalten, die es uns ermöglichen, die Entfernungsleiter zu vervollständigen und sie mit früheren Messungen mit Hubble zu vergleichen (siehe Abbildung). Webbs Messungen haben das Rauschen bei Cepheid-Messungen aufgrund der Genauigkeit des Observatoriums im Nahbereich deutlich reduziert.“ -Infrarotwellenlängen. Von dieser Art von Verbesserung träumen Astronomen! Wir haben in den ersten beiden Schritten mehr als 320 Cepheidensterne beobachtet. Wir haben bestätigt, dass frühere Messungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop genau, wenn auch lauter, waren. Wir haben auch vier Supernova-Wirte beobachtet Webb, wir haben ein ähnliches Ergebnis für die gesamte Stichprobe gesehen.

Vergleichen Sie die Beziehungen zwischen der Cepheid-Periode und der Leuchtkraft, die zur Messung von Entfernungen verwendet wird. Die roten Punkte stammen vom Webb der NASA und die grauen Punkte vom Hubble der NASA. Das obere Feld ist NGC 5584 gewidmet, dem Wirt der Supernova vom Typ Ia, mit einem Einschub, der Bildstempel derselben Cepheiden zeigt, die von jedem Teleskop gesehen wurden. Das untere Feld ist für NGC 4258, eine Galaxie mit bekannter geometrischer Entfernung, wobei der Einschub den Unterschied in den Entfernungskoeffizienten zwischen NGC 5584 und NGC 4258 zeigt, wie mit jedem Teleskop gemessen. Die beiden Teleskope stimmen hervorragend überein. Bildnachweis: NASA, ESA, A. Riess (STScI) und G. Anand(STScI)

Das anhaltende Geheimnis der Hubble-Spannung

„Was die Ergebnisse noch nicht erklärt haben, ist, warum sich das Universum so schnell ausdehnt! Das können wir.“ stolz Die Expansionsrate des Universums durch Beobachtung seines entstehenden Bildes Kosmischer Mikrowellenhintergrund, dann verwenden wir unser bestes Modell, wie es im Laufe der Zeit wächst, um uns zu sagen, wie schnell sich das Universum heute ausdehnen sollte. Die Tatsache, dass die aktuelle Messung der Expansionsrate die Erwartungen dramatisch übertrifft, ist ein jahrzehntelanges Problem, das als „Hubble-Jitter“ bezeichnet wird. Die aufregendste Möglichkeit besteht darin, dass Stress ein Beweis für etwas ist, das wir in unserem Verständnis des Universums übersehen.

„Dies könnte auf das Vorhandensein exotischer Dunkler Energie, exotischer Dunkler Materie, eine Revision unseres Verständnisses der Schwerkraft oder die Existenz eines einzigartigen Teilchens oder Feldes hinweisen. Die einfachste Erklärung ist, dass mehrere Messfehler in die gleiche Richtung wirken (die Astronomen). Deshalb ist es so wichtig, die Messungen genauer zu wiederholen. Mit Webbs Bestätigung der Hubble-Messungen liefern Webbs Messungen den bislang stärksten Beweis dafür, dass systematische Fehler in der Cepheid-Photometrie von Hubble bei Hubble keine wesentliche Rolle spielen Aktueller Jitter. Infolgedessen liegt das wahrscheinlichste Interesse auf dem Tisch und das angespannte Rätsel vertieft sich.

Dieser Beitrag hebt Daten von A hervor Papier Was schon früher akzeptiert wurde Astrophysikalisches Journal.

Referenz: „No More Crowding: Accuracy of the Hubble Constant Tested by High-Resolution Observations of Cepheid Objects with the James Webb Space Telescope“ von Adam J. Rees, Gagandeep S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Proval, Dan Skolnick, Marshall Perrin und Richard I. Anderson, angenommen, Astrophysikalisches Journal.
arXiv:2307.15806

Autor: Adam Ries ist Bloomberg Distinguished Professor an der Johns Hopkins University, Thomas G. Barber Professor für Weltraumstudien an der JHU Krieger School of Arts and Sciences, ein angesehener Astronom am Space Telescope Science Institute und Nobelpreisträger 2011 Preis in Physik.