Das Webb-Weltraumteleskop misst die Expansionsrate des Universums

Die „Hubble-Spannung“ bezeichnet die Differenz zwischen der beobachteten und der erwarteten Expansionsrate des Universums. Der James Webb-Weltraumteleskop verfeinert zuvor durchgeführte Messungen Hubble-Weltraumteleskop. Trotz der Fortschritte bleiben Fragen über die schnelle Expansion des Universums und mögliche zugrunde liegende kosmische Phänomene bestehen.

Die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, bekannt als Hubble-Konstante, ist einer der grundlegenden Parameter für das Verständnis der Entwicklung und des endgültigen Schicksals des Kosmos. Es besteht jedoch ein anhaltender Unterschied, der als „Hubble-Spannung“ bezeichnet wird, zwischen dem Wert der Konstante, der mit einer breiten Palette unabhängiger Entfernungsindikatoren gemessen wird, und dem daraus vorhergesagten Wert Urknall Nachglühen.

NASADas James Webb-Weltraumteleskop bietet neue Möglichkeiten, einige der stärksten Beobachtungsbeweise für diese Spannung zu untersuchen und zu verfeinern. Nobelpreisträger Adam Riess von der Johns Hopkins University und dem Space Telescope Science Institute stellt die jüngste Arbeit von ihm und seinen Kollegen vor, bei der er Webb-Beobachtungen nutzte, um die Präzision lokaler Messungen der Hubble-Konstante zu verbessern.

Die Herausforderung der kosmischen Messung

„Hatten Sie jemals Schwierigkeiten, ein Schild zu erkennen, das sich am Rande Ihres Sichtfelds befand? Was sagt es? Was bedeutet das? Selbst mit den leistungsstärksten Teleskopen erscheinen die „Zeichen“, die Astronomen lesen wollen, so klein, dass auch wir Schwierigkeiten haben.

„Das Zeichen, das Kosmologen lesen wollen, ist ein kosmisches Geschwindigkeitsbegrenzungszeichen, das uns sagt, wie schnell sich das Universum ausdehnt – eine Zahl, die Hubble-Konstante genannt wird.“ Unser Zeichen ist in die Sterne entfernter Galaxien eingeschrieben. Die Helligkeiten bestimmter Sterne in diesen Galaxien verraten uns, wie weit sie entfernt sind und wie lange dieses Licht somit gereist ist, um uns zu erreichen, und die Rotverschiebungen der Galaxien verraten uns, wie stark sich das Universum in dieser Zeit ausgeweitet hat, und verraten uns damit die Erweiterung Rate.

Dieses Diagramm veranschaulicht die kombinierte Leistung der Hubble- und Webb-Weltraumteleskope der NASA 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 die Messung der Helligkeit eines Cepheiden ungenauer machen. Webbs schärfere Infrarotsicht ermöglicht es, ein Cepheid-Ziel klarer von den umgebenden Sternen zu isolieren, wie auf der rechten Seite des Diagramms zu sehen ist. Die Webb-Daten bestätigen die Genauigkeit von 30 Jahren Hubble-Beobachtungen von Cepheiden, die entscheidend für die Etablierung der untersten Stufe der kosmischen Distanzleiter zur Messung der Expansionsrate des Universums waren. Links ist NGC 5584 in einem zusammengesetzten Bild von Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) und Hubbles Wide Field Camera 3 zu sehen. Bildnachweis: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

„Eine besondere Klasse von Sternen, die Cepheid-Variablen, liefert uns seit über einem Jahrhundert die genauesten Entfernungsmessungen, weil diese Sterne außerordentlich hell sind: Es handelt sich um Überriesensterne mit der hunderttausendfachen Leuchtkraft der Sonne.“ Darüber hinaus pulsieren sie über einen Zeitraum von Wochen (das heißt, sie vergrößern und verkleinern sich), was ihre relative Leuchtkraft anzeigt. Je länger die Periode, desto heller sind sie. Sie sind das Goldstandardwerkzeug zur Messung der Entfernungen von Galaxien, die hundert Millionen oder mehr Lichtjahre entfernt sind, ein entscheidender Schritt zur Bestimmung der Hubble-Konstante. Leider sind Sterne in Galaxien von unserem entfernten Standpunkt aus auf engstem Raum zusammengedrängt und daher fehlt uns oft die Auflösung, sie von ihren Nachbarn in der Sichtlinie zu trennen.

Hubbles Beitrag und Webbs Fortschritte

„Eine wichtige Begründung für den Bau des Hubble-Weltraumteleskops war die Lösung dieses Problems. Vor dem Hubble-Start im Jahr 1990 und den anschließenden Cepheid-Messungen war die Expansionsrate des Universums so ungewiss, dass die Astronomen nicht sicher waren, ob sich das Universum seit 10 oder 20 Milliarden Jahren ausdehnt. Das liegt daran, dass eine schnellere Expansionsrate zu einem jüngeren Alter des Universums führt und eine langsamere Expansionsrate zu einem höheren Alter des Universums. Hubble verfügt über eine bessere Auflösung im sichtbaren Wellenlängenbereich als jedes bodengestützte Teleskop, da es sich über den Unschärfeeffekten der Erdatmosphäre befindet. Dadurch kann es einzelne Cepheid-Variablen in Galaxien identifizieren, die mehr als hundert Millionen Lichtjahre entfernt sind, und das Zeitintervall messen, in dem sie ihre Helligkeit ändern.

„Allerdings müssen wir die Cepheiden auch im nahen Infrarotbereich des Spektrums beobachten, um das Licht zu sehen, das den dazwischenliegenden Staub unbeschadet durchdringt. (Staub absorbiert und streut blaues optisches Licht, lässt entfernte Objekte schwach erscheinen und täuscht uns vor, sie seien weiter entfernt als sie sind.) Leider ist Hubbles Rotlichtsicht nicht so scharf wie seine Blaulichtsicht, sodass das Licht der Cepheid-Sterne, das wir dort sehen, mit anderen Sternen in seinem Sichtfeld vermischt ist. Wir können die durchschnittliche Mischungsmenge berücksichtigen, statistisch gesehen, auf die gleiche Weise, wie ein Arzt Ihr Gewicht ermittelt, indem er das durchschnittliche Gewicht der Kleidung vom Messwert auf der Waage abzieht, aber dadurch die Messungen verfälscht. 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 er das Licht der Cepheiden problemlos und mit geringer Überblendung von benachbarten Sternen trennen. Im ersten Jahr der Webb-Operationen mit unserem General Observers-Programm 1685 sammelten wir Beobachtungen von Cepheiden, die Hubble auf zwei Stufen entlang der sogenannten kosmischen Distanzleiter gefunden hatte. Der erste Schritt besteht darin, Cepheiden in einer Galaxie mit bekannter geometrischer Entfernung zu beobachten, die es uns ermöglicht, die wahre Leuchtkraft der Cepheiden zu kalibrieren. Für unser Programm ist diese Galaxie NGC 4258. Der zweite Schritt besteht darin, Cepheiden in den Wirtsgalaxien der jüngsten Supernovae vom Typ Ia zu beobachten. Die Kombination der ersten beiden Schritte überträgt Kenntnisse über die Entfernung zu den Supernovae, um ihre wahre Leuchtkraft zu kalibrieren. Schritt drei besteht darin, die weit entfernten Supernovae zu beobachten, bei denen die Expansion des Universums offensichtlich ist und durch Vergleich der Entfernungen gemessen werden kann, die aus ihrer Helligkeit und den Rotverschiebungen der Supernova-Wirtsgalaxien abgeleitet werden. Diese Abfolge von Schritten wird als Distanzleiter bezeichnet.

„Wir haben kürzlich unsere ersten Webb-Messungen aus den Schritten eins und zwei erhalten, die es uns ermöglichen, die Entfernungsleiter zu vervollständigen und mit den vorherigen Messungen mit Hubble zu vergleichen (siehe Abbildung). Webbs Messungen haben das Rauschen bei den Cepheid-Messungen aufgrund der Auflösung des Observatoriums drastisch reduziert.“ Wellenlängen im nahen Infrarotbereich. Von einer solchen Verbesserung träumen Astronomen! Auf den ersten beiden Stufen haben wir mehr als 320 Cepheiden beobachtet. Wir haben bestätigt, dass die früheren Messungen des Hubble-Weltraumteleskops genau waren, wenn auch mehr Rauschen. Wir haben mit Webb auch vier weitere Supernova-Wirte beobachtet und sehen ein ähnliches Ergebnis für die gesamte Stichprobe.

Vergleich der Beziehungen zwischen Cepheidenperiode und Leuchtkraft zur Entfernungsmessung. Die roten Punkte stammen vom Webb der NASA und die grauen Punkte vom Hubble der NASA. Das obere Feld ist für NGC 5584, den Supernova-Wirt vom Typ Ia, wobei der Einschub 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 Entfernungsmodulen 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 immer noch nicht erklären, ist, warum sich das Universum so schnell auszudehnen scheint!“ Wir können vorhersagen Wir können die Expansionsrate des Universums bestimmen, indem wir sein Babybild, den kosmischen Mikrowellenhintergrund, beobachten und dann unser bestes Modell dafür verwenden, wie es im Laufe der Zeit wächst, um uns zu sagen, wie schnell sich das Universum heute ausdehnen sollte. Die Tatsache, dass das derzeitige Maß der Expansionsrate die Vorhersage deutlich übertrifft, ist ein mittlerweile jahrzehntelanges Problem namens „Hubble-Spannung“. Die aufregendste Möglichkeit besteht darin, dass die Spannung ein Hinweis auf etwas ist, das uns in unserem Verständnis des Kosmos fehlt.

„Es könnte auf das Vorhandensein exotischer dunkler Energie, exotischer dunkler Materie, eine Revision unseres Verständnisses der Schwerkraft oder das Vorhandensein eines einzigartigen Teilchens oder Feldes hinweisen. Die profanere Erklärung wäre, dass mehrere Messfehler in die gleiche Richtung gehen (Astronomen haben einen einzelnen Fehler durch die Verwendung unabhängiger Schritte ausgeschlossen). Deshalb ist es so wichtig, die Messungen mit größerer Genauigkeit zu wiederholen. Da Webb die Messungen von Hubble bestätigt, liefern die Webb-Messungen den bislang stärksten Beweis dafür, dass systematische Fehler in der Cepheid-Photometrie von Hubble bei der gegenwärtigen Hubble-Spannung keine wesentliche Rolle spielen. Dadurch bleiben immer interessantere Möglichkeiten auf dem Tisch und das Geheimnis der Spannung vertieft sich.“

Dieser Beitrag hebt Daten von a hervor Papier das wurde von The akzeptiert Astrophysikalisches Journal.

Referenz: „No More Crowded: The Accuracy of the Hubble Constant Tested with High Resolution Observations of Cepheids by JWST“ von Adam G. Riess, Gagandeep S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Breuval , Dan Scolnic, Marshall Perrin und Richard I. Anderson, Akzeptiert, Das Astrophysikalische Journal.
arXiv:2307.15806

Autor: Adam Riess ist ein Bloomberg Distinguished Professor an der Johns Hopkins University, Thomas J. Barber Professor für Weltraumstudien an der JHU Krieger School of Arts and Sciences, ein angesehener Astronom am Space Telescope Science Institute und Träger des 2011 Nobelpreis für Physik.