23 oktober 2018

Bepalen zwaartekrachtlenzen van supernovae wie gelijk heeft over de Hubbleconstante, Planck of Hubble?

De Hubble Ultra Deep Field 2012 van zeer ver verwijderde sterrenstelsels. Credit: ESA/NASA.

Met de Hubbleconstante H0 geven de sterrenkundigen de snelheid aan waarmee het heelal uitdijt en via een simpele formule kunnen ze er ook de leeftijd van het heelal mee bepalen. Geen onbelangrijke constante – Edwin Hubble kwam er in 1929 in dit artikel mee op de proppen.  Hubble zelf probeerde de waarde ervan al te bepalen, maar met H0=500 km/s/Mpc zat hij er flink naast – kunnen we met de wetenschap van vandaag gerust stellen. Maar die wetenschap van vandaag heeft wel een groot probleem rond de waarde, want er liggen twee bepalingen van de waarde, die flink uiteenlopen, we schreven er eerder al over, onder andere hier en ook daar.

In blauw de waarde van de Hubbleconstante aan de hand van sterren, zoals door de Hubble ruimtetelescoop gedaan, in rood de waarde zoals bepaald door metingen aan de CMB, zoals Planck. Grafiek via Erik Verlinde.

Die twee bepalingen zijn gedaan door uiterst betrouwbare instrumenten en er hebben grote teams van onderzoekers aan meegewerkt:

  •  Met de Hubble ruimtetelescoop is de waarde met behulp van supernovae en Cepheiïden bepaald op H0=73 kilometer per seconde per megaparsec (= 3,3 miljoen lichtjaar), dat wil zeggen dat dat een sterrenstelsel op 3,3 miljoen lichtjaar zich met een snelheid van 73 km/s van ons verwijdert, op 33 miljoen lichtjaar met 730 km/s, enzovoorts.
  • Met de Planck satelliet is de waarde met behulp van de kosmische microgolf-achtergrondstraling bepaald op H0=tussen 67 en 69 km/s/Mpc.

Zo ontstaan type Ia supernovae.

Wie van de twee heeft er gelijk? Sterrenkundigen durven er op dit moment hun vingers niet aan te branden, wellicht dat ze allebei gelijk hebben en dat het verschil wijst op een nieuw soort van natuurkunde. Sterrenkundigen van het Berkeley Lab en de Universiteit van Portsmouth denken dat er wel degelijk eentje is die gelijk heeft en dat pleit willen ze beslechten met behulp van een speciaal soort type Ia supernovae, exploderende sterren die ontstaan als een witte dwerg door massatoevoer van een begeleidende ster zwaarder woordt dan de Limiet van Chandrsekhar en dan in een thermonucleaire explosie vaarwel tegen de wereld zegt (zie de figuur hierboven). Supernovae van type Ia zijn betrouwbare afstandsindicatoren, omdat ze altijd dezelfde absolute maximale lichtkracht hebben en ze als een soort van standaard kaars gebruikt kunnen worden.

Zo werkt een zwaartekrachtlens van een supernova.

Probleem is alleen dat ze met grote telescopen slechts zichtbaar zijn binnen een bepaald bereik. En daar hebben die sterrenkundigen nu een oplossing voor: kijk naar sterke zwaartekrachtlenzen van supernovae. Als er tussen een supernova in een zeer ver weg gelegen sterrenstelsel en de aarde nog een ander sterrenstelsel of een cluster van sterrenstelsels ligt, dan kan zo’n tussenliggende massa de ruimte verbuigen en dienen als een enorme lens, die het licht van de supernova niet alleen afbuigt, maar ook versterkt. En zodoende kunnen sterrenkundigen ook supernovae waarnemen, die normaal gesproken buiten het bereik van de telescoop ligt.

Een zwaar gelensde supernova, iPTF16geu

Die zwaartekrachtslenzen van supernovae zijn een zeldzaamheid, op iedere 50.000 gewone supernovae kan je één zo’n gelenst type verwachten. Men heeft er tot nu toe ook maar twee ontdekt, waarvan je er eentje hierboven ziet, iPTF16geu. Twee is te weinig om statistieken op te bouwen en een uitspraak te doen over de Hubbleconstante. Maar de sterrenkundigen willen met de toekomstige Large Synoptic Survey Telescope (LSST) maar liefst 1000 van die speciale supernovae gaan waarnemen en als dat gelukt is denken ze een uitspraak te kunnen doen over de vraag wie er gelijk heeft in de bepaling van de waarde van de Hubbleconstante, Planck of Hubble.

Twee screenshots uit een simulatie van type Ia supernovae (de paarse cirkels), die allerlei effecten ondergaan als gevolg van (micro-)lenswerking van tussenliggende sterrenstelsels en de afzonderlijke sterren daarin. Credit: Danny Goldstein/UC Berkeley

Van belang bij de metingen is dat men de zogeheten ‘time delay’ van de supernova goed kan bepalen. De Berkeleygroep denkt dat met de LSST goed te kunnen doen. We wachten het met geduld af. Bron: Berkely Lab.

Reacties

  1. Dag Arie,

    Heb je het tabblad ‘contact’ nog in gebruik? Het laatste bericht dat ik daarop zie is al een paar jaar oud … Hier wilde ik je op attenderen: https://www.theverge.com/2018/3/10/17104188/melodysheep-time-lapse-universe-earth-formation-watch

    Groet,

    Rob.

  2. Hoi Rob, ja die pagina werkt nog hoor. Ik heb je mail ontvangen en ook beantwoord. Bedankt voor de link!

  3. Als ze beiden gelijk hebben dan is de definitie de oorzaak, we missen een cruciale factor 🙂 De tijd zal het leren…

  4. Paar dingetjes vallen mij op:

    1
    De grafieken vertonen een opvallende congruentie (eerst stijgen, en dan dalen).

    2
    De laatste CMB-meting ligt buiten de errorbar van de eerste CMB-meting (lager).

    3
    Wanneer ik de neergaande trend in beide grafieken voor waar aanneem dan vertraagd de expansie van het universum.

    • evandijken evandijken zegt:

      @Mies:

      Vooral punt drie is interessant:

      Expansie vertraging waarna begin van implosie.

    • Ill Matilled zegt:

      Je begrijpt de grafiek niet goed.

      Het is niet een/de exacte snelheid van de verwachte expansie uitgeplot tegen tijd maar de dynamiek van de wiskundige zekerheid van het resultaat (uitgedrukt in snelheid) na data analyse van de streams die de twee precisie instrumenten Hubble en Planck hebben gegenereerd over tijd. We weten de exacte waarde niet en proberen deze te vinden via in dit geval twee verschillende maar wel gerelateerde methodieken.

      Je ziet bij de Planck curve duidelijk dat na decomissionering eind 2013 de dataset statisch wordt (er komt niets meer bij) en dat de noise (onzekerheid) verder wordt uitgefilterd via b.v. correctieve algorithmes om de error marges zo ver mogelijk aan te scherpen.

      De twee gedistilleerde ‘concreta’ liggen te ver uiteen om tot een sluitende conclusie te kunnen komen over de interpretatie dus er is ruimte voor speculaties.

      Het zou kunnen zijn dat het heelal niet uniform (sferisch) uitdijt in alle richtingen maar dat er regionale verschillen ontstaan in de interactie van spacetime met (non)materie door de onderliggende kwantum realiteit die een imprint is nog van de Big Bang. Deze spontane onbepaaldheid zorgt dan ervoor dat het heelal toch een ‘vorm’ krijgt bijvoorbeeld net als een druppel water die dan dynamisch reageert op de beweging binnen in. Net als iemand die aan het dansen is.

  5. Dat de sterrenkundigen steeds lagere waardes meten voor de Hubbleconstante wil niet zeggen dat het heelal steeds minder snel expandeert hoor. Het dijt uit (ontdekt in 1929), het dijt zelfs versneld uit (ontdekt in 1998), maar het gaat allemaal minder snel dan men eerst dacht. Het is dus niet zo dat het nu op het punt van imploderen staat. 🙂

  6. Wanneer je er vanuitgaat dat de data klopt, dan is dit (zéker bij de CMB methode) een onvermijdelijke conclusie.
    Hoe kun je nu concluderen dat wanneer je data zegt dat de expansie kleiner wordt, deze tóch versnelt?
    De laatste meting zit zelfs onder de ondergrens van de beginwaarde.

  7. Addendum.

    Het is eigenlijk wel jammer dat de nieuwste methode om H0 te bepalen, nl de Standard Sirens (=/- 70 Km/s/Mps) , hier niet in is verwerkt.
    Men jubelde nog hoe goed die waarde overeenkwam met voorgaande schattingen.

    Bovenstaande grafiek laat maar éen conclusie toe:

    De CMB, en Cepheiden expanderen niet in hetzelfde tempo, en de expansie neemt af.

    Maar ik geloof ook dat dit niet kan kloppen. Totdat iemand met een knettterlang meetlint op pad gaat, sta ik open voor alle opties.

    • Dat we in luttele jaren de expansiesnelheid van het heelal een ietsje naar beneden bijstellen, betekent niet dat die afneemt. We hadden ze gewoon wat hoger ingeschat dan ze volgens de nieuwste metingen was. Of dacht je dat het uitdijende heelal op zo weinig tijd zo merkbaar zou gaan vertragen?

      • Exact, als de snelheid in 15 jaar 6 Km/s/Mps afneemt dan zijn we in no time weer bij af… = de oorspronkelijke quantum fluctuatie 🙂
        Ik geef @III Matilled wel een punt, de versnelde uitdijing van universum hoeft niet perse op elke plek hetzelfde te zijn, het blijven gemiddelden van random locaties. Bovendien is er aardig geknutseld aan de WMAP data om onze melkweg eruit te poetsen die aardig wat roet en stof in het eten gooit.

        • “…als de snelheid in 15 jaar 6 Km/s/Mps afneemt dan zijn we in no time weer bij af… = de oorspronkelijke quantum fluctuatie.” Het misverstand blijft hardnekkig. Het is niet dat het heelal in korte tijd steeds minder snel uitdijt, het is de meting door Planck en Hubble die steeds beter wordt en die een afnemende waarde voor de uitdijingssnelheid laat zien. Dat zijn twee aparte dingen.

          • Obelix Obelix zegt:

            Het zijn me een stelletje trollen, Arie. 😀
            Nog effe en iemand gaat “big rib” roepen. 😉

          • Foei Arie, had je die smily niet gezien?
            Edoch, die 2 laatste Planck metingen zijn best wel interessant, de standaard errors overlappen niet meer!
            Stel nu dat het toch geen constante is en de snelheid dus tòch veranderd in tijd zoals dat her en der wordt gesuggereerd om de verschillen te verklaren? Waarom zou donkere energie sterker worden naarmate het universum zich verdunt i.p.v. zwakker?

  8. Obelix Obelix zegt:

    Dat de gemeten/bepaalde waarde van de Hubble-constante elke zoveel tijd beter gespecificeerd wordt, is op zich verklaarbaar: betere technieken, nauwkeuriger metingen, duplo-bepalingen.
    Maar dat de nieuwste waarde volgens de CMB-methode( 2017: Ho = 66 tot 67) uitsluit dat de vorige waarden (bv 2016: Ho = 67 tot 68)( of 2013 : Ho = 67,8 tot 72,2) correct zijn, dan lijkt me dat je wel wat hebt uit te leggen…. ?

    Wordt door astronomen smalend naar deze nieuwste bepalingen gekeken, of neemt men deze methode toch nog serieus? En hoe verklaard men in dat geval de (kennelijke) miskleunen van vorige verkeerde metingen?

    Groet, Paul

  9. evandijken evandijken zegt:

    Hoe dan ook, ik ben benieuwd wat de nabije toekomst ons zal leren!

    Astroblogs blijft een plezierige blog…;)

  10. Oeps Nico, excuus. Had ik inderdaad niet gezien.

  11. Het grootste probleem is dat Planck zich richt op de CMB, en dus 13,8 miljard jaar terug kijkt in de tijd. Hubble doet het met supernova’s tot op een max. afstand van 8 miljard lichtjaar. Hubble kijkt dus niet verder terug in de tijd dan 8 miljard jaar. Metingen in verschillende tijdvakken geven verschillende uitkomsten.

    @Nico “Waarom zou donkere energie sterker worden naarmate het universum zich verdunt i.p.v. zwakker?”

    De dichtheid van de aanwezige materie en energie zal kleiner worden zoor de expansie. Terwijl de (donkere) energie die “lege” ruimte zelf bevat gelijk blijft. Dus donkere energie lijkt sterker te worden, omdat de invloed van materie en donkere materie (zwaartekracht) steeds kleiner aan het worden is.

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.