Iedereen die ooit iets twee keer heeft gemeten, zoals de breedte van een deur, en twee verschillende antwoorden heeft gekregen, weet hoe vervelend dat kan zijn. Stel je nu voor dat je een natuurkundige bent en wat je meet vertelt ons iets fundamenteels over het heelal. Er zijn veel van dit soort voorbeelden – we lijken bijvoorbeeld geen metingen te hebben om het eens te worden over hoe lang neutronen buiten atoomkernen overleven.
Maar weinig hiervan zijn fundamenteler voor het gedrag van het heelal dan geschillen over wat de Hubble-constante wordt genoemd, een maatstaf voor hoe snel het heelal uitdijt. We hebben het gemeten met behulp van informatie over de kosmische microgolfachtergrond en kregen een waarde. En we hebben het gemeten met behulp van de schijnbare afstand tot objecten in het huidige universum en kregen een waarde die ongeveer 10 procent verschilt. Voor zover iemand weet, is er niets mis met beide tellingen, en er is geen voor de hand liggende manier om ze het eens te laten worden.
Nu zijn onderzoekers erin geslaagd om een derde, onafhankelijke meting te maken van de uitdijing van het heelal door het gedrag van een supernova te observeren met zwaartekrachtlenzen. Toen het voor het eerst werd ontdekt, had de lens vier afbeeldingen van de supernova geproduceerd. Maar even later verscheen er een vijfde, en deze tijdsvertraging wordt beïnvloed door de uitdijing van het heelal – en dus door de Hubble-constante.
Consequent inconsequent
De Hubble-constante is een maat voor de uitdijing van het heelal, zoals je kunt zien aan de eenheden, namelijk kilometers per seconde per Megaparsec. Dus elke seconde, elke Megaparsec van het heelal breidt zich uit met een bepaald aantal kilometers. Een andere manier om hierover na te denken is in termen van een relatief stationair object op een Megaparsec afstand: elke seconde verplaatst het zich enkele kilometers verder weg.
Hoeveel kilometer; Dat is het probleem hier. Metingen van de kosmische microgolfachtergrond met behulp van de Planck-satelliet leverden een waarde op van 67 km/s Mpc. Die gemaakt door het volgen van verre supernova’s produceren een waarde van 73 km/s Mpc. We weten niet zeker waarom deze metingen anders zouden moeten zijn, of dat er een technisch probleem is met een van hen dat we nog niet hebben geïdentificeerd. Maar het wordt beschouwd als een belangrijk onopgelost probleem.
Het nieuwe werk bevat een derde manier om afstand te meten die onafhankelijk is van de andere twee. Het is gebaseerd op zwaartekrachtlenzen, waarbij de vervorming van de ruimtetijd veroorzaakt door een massief object als een lens fungeert om een object op de achtergrond te vergroten. Aangezien dit geen perfecte lenzen van optische kwaliteit zijn, zijn er vaak wat vervormingen en oneffenheden. Hierdoor neemt het licht van het object op de achtergrond verschillende paden naar de aarde, zodat een enkel object in veel verschillende posities verspreid over de lens kan verschijnen.
Op kosmologische schaal kunnen deze paden ook licht nodig hebben om heel verschillende afstanden af te leggen om de aarde te bereiken. En aangezien licht met een eindige snelheid reist, betekent dit dat we een enkel object kunnen zien zoals het in een ander object was keer. Vorig jaar vonden onderzoekers bijvoorbeeld een enkele afbeelding van de Hubble-ruimtetelescoop die een supernova vastlegde zoals die was op drie verschillende tijdstippen nadat deze was geëxplodeerd.
Het nieuwe werk richt zich op een soortgelijk voorbeeld, een supernova die voor het eerst werd gedetecteerd in 2014 en nu SN Refsdal heet, naar de astronoom die voor het eerst voorstelde om explosies met lenzen te gebruiken om metingen uit te voeren. Toen het voor het eerst werd gedetecteerd, werd de verre SN Refsdal gefotografeerd door een cluster van melkwegstelsels genaamd MACS J1149.6+2223, die er vier afzonderlijke afbeeldingen van produceerde. Maar studies van de lens gevormd door MACS J1149.6+2223 toonden al snel aan dat deze ongeveer een jaar later een extra beeld zou vormen.
Deze voorspellingen bleken te kloppen. Afbeeldingen die eind 2015 zijn gemaakt, hebben het vijfde beeld van de gebeurtenis gedetecteerd, gemaakt door zwaartekrachtlensing.
Meetlint
De tijdsvertragingen die we hebben waargenomen, meten de extra afstand die licht aflegt op weg naar de aarde. En deze afstanden zijn groot genoeg om te worden beïnvloed door de uitdijing van het heelal. Dus meet dingen nauwkeurig genoeg en we zouden een waarde moeten hebben voor de uitdijing van het heelal – een andere route naar de Hubble-constante. Het was dit idee dat de supernova oorspronkelijk zijn naam gaf door Sjur Refsdal.
Het probleem is echter dat we niet precies weten welke weg het licht in dit geval aflegt. Het grootste deel van de massa van de melkwegcluster bestaat uit donkere materie, dus we kunnen het niet rechtstreeks in beeld brengen. We kunnen modellen maken van waar deze massa waarschijnlijk zal zijn op basis van de locatie van zichtbare materie. Maar we verifiëren deze modellen meestal op basis van hoe goed ze lensbeelden reproduceren. Maar in dit geval zijn de gegevens die we proberen te begrijpen de gelenzende beelden. U kunt dus niet echt afbeeldingen gebruiken als invoer en uitvoer met dezelfde resolutie.
Om hiermee om te gaan, behandelden de onderzoekers het geheel als een optimalisatieprobleem. Ze namen verschillende modellen van zwaartekrachtlenzen en testten ze met een reeks waarden voor de Hubble-constante en zochten welke combinaties van model plus constante het beste overeenkwamen met de positie van de gelenzende beelden en het uiterlijk van het vertraagde vijfde beeld.
De best passende modellen van hun modellen eindigden allemaal iets onder de waarde van de Hubble-constante afgeleid van de kosmische microgolfachtergrond, waarbij het verschil binnen de statistische fout viel. Waarden die dichter bij die van metingen van andere supernova’s lagen, waren veel slechter voor de gegevens.
De onderzoekers zeggen voorzichtig dat dit niet betekent dat we de hogere prijs moeten uitsluiten. De methode is te nieuw en de onzekerheden die het met één enkele supernova oplevert, zijn te belangrijk om het als het laatste woord te zien. Maar het is nog steeds belangrijk, deels omdat het een onafhankelijk middel biedt om tot de Hubble-constante te komen, en deels omdat er het vooruitzicht is toekomstige voorbeelden te vinden van lensvertraagde supernova’s die ons meer gegevens kunnen opleveren.
Tot slot is het interessant dat de gegevens afkomstig zijn uit een relatief volgroeid heelal, een heelal met aanwezige sterren en sterrenstelsels. En toch produceerde het een waarde die meer consistent is met die geproduceerd door de kosmische microgolfachtergrond, die vroeg in de geschiedenis van het heelal werd gevormd. Het suggereert dus in ieder geval dat het verschil tussen de twee andere metingen van de Hubble-constante geen product is van iets dat los staat van het vroege heelal.
Wetenschap, 2023. DOI: 10.1126/science.abh1322 (Over DOI’s).
