2016.06.07. - A vártnál gyorsabban tágul az univerzum

A Nobel-díjjal kitüntetett Adam Riess és munkatársainak legújabb eredménye szerint az univerzum tágulási üteme 5-9 százalékkal nagyobb az eddigi megfigyelések által szolgáltatott értéknél.

Több elképzelés is létezik arra, hogy az univerzum miért tágulhat egyre nagyobb ütemben. Az egyik lehetőség a gyorsuló tágulás, a térnek a galaxisokat egymástól egyre gyorsabban távolító megnyúlásának magyarázatára a már korábban bevetett, de még mindig rejtélyes sötét energia. Egy másik elképzelés szerint nagyon korai fejlődési fázisában a kozmosz olyan új, egyelőre még szintén ismeretlen szubatomi részecskéket tartalmazott, amelyek közel fénysebességgel mozogtak. A gyors részecskéket a "sötét sugárzás" összefoglaló névvel illetik, és közéjük sorolnak már korábban ismerteket is, például a neutrínót. A sötét sugárzás további komponenseitől származó energiatöbblet azonban nem tenne jót azoknak az erőfeszítéseknek, amelyek a mai tágulási ütemet az ősrobbanás utáni mértékéből próbálják megjósolni. A tágulás ütemének növekedése arra is utalhat, hogy van valamilyen furcsa, ismeretlen tulajdonsága a sötét anyagnak, az univerzum alapvető összetevőjének is. A feltételezések szerint a sötét anyag felelős a világegyetem ma is megfigyelhető, galaxisokon alapuló nagy léptékű szerkezetének kialakulásáért. Végül a gyorsuló tágulás arról is árulkodhat, hogy a gravitáció einsteini elméletéből hiányzik még valami.

Adam Riess (Space Telescope Science Institute / The Johns Hopkins University) csoportjának sikerült az univerzum tágulási ütemét jellemző ún. Hubble-állandót minden eddiginél pontosabban meghatározni. Eredményük szerint az új, 73,2 km/s/Mpc érték hibája már csak 2,4 százalék. 1 Mpc (megaparszek) 3,26 millió fényévvel egyenlő. A már-már hihetetlen pontosságot a nagyon messze lévő galaxisok távolságmérésének finomításával sikerült elérniük. Az új érték azt jelenti, hogy a kozmikus objektumok közötti távolság 9,8 milliárd évenként megduplázódik. A Hubble-állandó értékének pontosítása azonban egy új problémával is szembesítette a kutatókat, mivel nem teljesen illik a közvetlenül az ősrobbanás utáni állapotból extrapolált mai értékhez. Az ősrobbanás utófényét, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást vizsgáló WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, NASA) és Planck (ESA) űrszondák méréseiből 5-9 százalékkal kisebb érték származtatható a Hubble-konstansra.

Lucas Macri (Texas A&M University), a kutatás egyik résztvevője szerint nagyon keveset tudunk az univerzum sötét részeiről, így rendkívül fontos, hogy a világegyetem egész történetét átfogó időintervallumon szerezzünk információt arról, milyen hatást gyakoroltak a tér szerkezetére. Riess ezt azzal egészíti ki, hogy ha ismerjük például a sötét anyag és a sötét energia mennyiségét a korai univerzumban, akkor - feltéve, hogy a fizikánk helyes - röviddel az ősrobbanás utáni állapotokra vonatkozó mérésekből kiindulva megjósolhatjuk, hogy ma milyen ütemben kellene tágulnia az univerzumnak. A fenti, 5-9 százalékos eltérés azonban arra figyelmeztet, hogy a fizikai képünkkel lehet valami probléma. Hasonlata szerint a WMAP, a Planck és a Hubble-űrtávcső által mért tágulási ütemek összevetése olyan, mintha egy hidat építenénk. Egyik hídfőnél, a távolabbi parton vannak a mikrohullámú háttérsugárzás észlelései, míg a közelebbi hídfőnél Riess csoportjának HST-s mérései. Azt várjuk, hogy a híd két végéről indulva a közepén találkozunk, feltéve, hogy az elképzeléseink és a méréseink is helyesek. Jelen esetben azonban nem ez a helyzet, és jó lenne tudni, hogy miért.

Riess SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State) csoportja az ún. kozmikus távolságlétrát "erősítette", ennek a "fokait" használják a csillagászok a távolságok meghatározására a Földhöz legközelebbiektől a legtávolabbi galaxisokig. A csoport ezeket a távolságokat vetette össze a távolodó galaxisok fényének vörösödéséből származtatható expanzióval, a Hubble-konstanst pedig a két értékből határozták meg.

Kis távolságokon a létrafokok legjobbja a cefeida típusú változócsillagok segítségével "faragható ki", mivel kapcsolat van a fényességváltozásuk periódusa és az abszolút fényességük között (P-L reláció), így a Földről látszó fényességükből és a jól mérhető periódusukból meghatározható abszolút fényességükből azonnal származtatható a távolságuk. Az így kapott távolságokat a parallaxis-mérésekből nyert távolságokkal kalibrálták, ezt pedig azért tehették, mert a Hubble-űrtávcső és a WFC3 (Wide Field Camera 3) kamerájának lehetőségeit kihasználva a parallaxis-mérések hatósugarát minden eddiginél messzebbre tolták, átfogva így gyakorlatilag az egész Tejútrendszert, elérve annak legtávolabbi cefeidáit is. A közeli galaxisok pontos távolságának meghatározásához olyan objektumokat kerestek, amelyekben cefeidákat is ismernek, illetve feltűntek bennük Ia típusú szupernóvák is, ezek a létrának egy másik fokát jelentik. A mai napig Riess és munkatársai 19 galaxisban 2400 cefeidát mértek ki, ez az eddigi legnagyobb ilyen minta a Tejútrendszeren kívül. A közeli galaxisokban található cefeidák és Ia típusú szupernóvák látszó fényességének összevetésével az abszolút fényességüket is meg tudták határozni, ezzel a kalibrációval pedig nagyjából 300, jóval messzebb lévő galaxisban feltűnt Ia szupernóva távolságát is megkapták.

A Hubble-állandó pontosításának lépései, balról jobbra. Először cefeida típusú változócsillagok távolságát pontosították a Galaxisban a geometriai parallaxisuk minden eddiginél pontosabb mérésével. Ez alapján újra kalibrálták a cefeidák abszolút fényességét, ezzel pedig a periódus-fényesség relációjukból olyan távolabbi galaxisokban is meg tudták határozni a távolságukat, amelyek kívül esnek a parallaxis-technika hatósugarán. A cefeidákkal kalibrált távolságokat aztán az ugyanazokban a galaxisokban feltűnt Ia szupernóvák abszolút fényességének kalibrációjára használták, aminek alapján a gazdagalaxisok távolságai is meghatározhatók. A "kalibrált" Ia szupernóvák segítségével olyan messze lévő galaxisok távolsága is meghatározható, amelyekben a cefeidák már nem vehetők észre, a fényesebb Ia szupernóvák azonban igen. Ezeket a távolságokat vetették végül össze a szupernóvák fényének a tér tágulása miatti vörösödésével, és származtatták ebből a Hubble-állandó új, pontosabb értékét.
[NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)]

Egyetlen műszer használatával a kutatók azokat a szisztematikus hibákat is kiküszöbölték, amelyek óhatatlanul terhelik a több távcsőről és műszerről származó mérési adatokat. Egy másik hasonlat szerint ez a Hubble-állandó pontossága szempontjából olyan, mintha egy folyosó hosszát 30 cm-es vonalzó helyett több méteres mérőszalaggal mérnénk.

A SH0ES csoport célja, hogy a HST további méréseivel még lejjebb szorítsák a Hubble-állandó hibáját, és elérjék az 1 százalékos pontosságot. A jelenlegi teleszkópok közül az ESA Gaia műholdja, a közeljövő távcsövei közül pedig az infravörös Webb-űrteleszkóp és a WFIRST (Wide Field Infrared Space Telescope) is segítségére lehet a csillagászoknak az univerzum tágulási ütemének pontosításában.

A Hubble-űrtávcső 1990-es felbocsátása előtt a Hubble-állandó becsült szélsőértékeinek aránya nagyjából kettő volt. Az 1990-es évek végére a HST "Extragalactic Distance Scale" kulcsprojektjének köszönhetően a hiba 10 százalékra csökkent, míg a SH0ES csapat 2005-ben kezdett programja során a Hubble-konstans hibáját 76 százalékkal csökkentette.

Az eredményeket részletező szakcikk az Astrophysical Journal c. folyóiratban fog megjelenni.

Forrás:

• STScI-2016-17