30 november 2020

Afbuigend sterrenlicht meet uitdijing heelal

Sterlicht bereikt de aarde via verschillende routes. Credit: David Harvey/Universiteit van Leiden

Het is een van de grote debatten in de kosmologie: het heelal dijt uit, maar hoe snel precies? Twee beschikbare meetmethoden leveren verschillende resultaten op. Een derde, onafhankelijke meetmethode gebaseerd op het afbuigen van licht door sterrenstelsels, is verbeterd door Leidse natuurkundige David Harvey.

We weten al bijna een eeuw dat het heelal uitdijt. Astronomen zagen dat licht van verre sterrenstelsels een lagere golflengte heeft dan sterrenstelsels dichterbij. Hun lichtgolven lijken opgerekt, ofwel roodverschoven, wat betekent dat die sterrenstelsels van ons af bewegen.

We weten hoe ver weg die sterrenstelsels staan door hun lichtsterkte. Bepaalde supernova’s, exploderende sterren, hebben een vaste helderheid die we goed kunnen voorspellen. Dat maakt het mogelijk om de afstand te schatten: hoe verder het sterrenstelsel, hoe minder helder de supernova lijkt. 

Deze afstand is weer te koppelen aan de roodverschuiving, of snelheid, wat een maat oplevert voor de uitdijing van het heelal, de Hubble-constante: voor iedere megaparsec afstand (een parsec is 3.3 lichtjaar) neemt de snelheid waarmee de sterrenstelsels van ons af bewegen toe met 73 kilometer per seconde.

Als de zwaartekrachtlens niet helemaal in het midden staat, is één route langer. Credit: David Harvey/Universiteit van Leiden

Zwaartekrachtlenzen

Maar een andere meting levert een andere waarde op. Steeds preciezere metingen van de kosmische achtergrondstraling, een overblijfsel van het heelal in zijn baby-jaren, levert een Hubble-constante op van 67 kilometer per seconde per megaparsec.

Hoe is dat mogelijk? Waar komt dat verschil vandaan? En zou dit verschil  misschien iets nieuws aan het licht kunnen brengen over de natuurkunde achter de uitdijing? ‘Dit is waarom een derde type meting nu aandacht krijgt, onafhankelijk van die andere twee’, zegt natuurkundige David Harvey, ‘dat zijn zwaartekrachtlenzen.’

Harvey publiceerde een artikel in het vakblad Monthly Notices of the Royal Astronomical Society over verbeteringen van deze methode.

Variaties in het sterlicht arriveren op verschillende momenten, waardoor de afstand gemeten kan worden. Credit: David Harvey/Universiteit van Leiden

Einstein

Albert Einsteins Algemene Relativiteitstheorie voorspelt dat een massaconcentratie, zoals een sterrenstelsel, licht kan afbuigen, zoals een lens. Als zo’n sterrenstelsel precies voor een heldere lichtbron staat, wordt het licht er omheen gebogen, zodat het de aarde bereikt via verschillende routes. Dit geeft dan twee, of soms zelfs vier, afbeeldingen van dezelfde lichtbron. 

In 1964 had de Noorse astrofysicus Sjur Refsdal een inval: als het tussenliggende lens-sterrenstelsel niet helemaal precies in midden ligt, is één van die routes langer dan de andere. Dat betekent dat het licht daar ook langer over doet. Dus als er een variatie is in de helderheid van de lichtbron, zal deze oprisping in één van de afbeeldingen eerder zichtbaar zijn dan in de andere. Het tijdsverschil zou kunnen oplopen tot dagen, weken, of zelfs maanden.

Het tijdsverschil, liet Refsdal zien, kunnen astronomen geburiken om afstanden naar de bron te berekenen. In combinatie met de roodverschuiving van de bron, geeft dat een derde meting van de Hubble-constante, onafhankelijk van de andere twee.

Een vergelijking tussen afstand en roodverschuiving/snelheid, bepaald de Hubble-constante. Credit: David Harvey/Universiteit van Leiden.

HoliCOW

De onderzoekssamenwerking HoliCOW heeft zes van deze lenzen langere tijd gemeten, en kwam op een Hubble-constante van ongeveer 73, in overeenstemming met de supernova-metingen. Maar er zijn complicaties: ook de massa van het lens-sterrenstelsel heeft invloed op het tijdsverschil, afhankelijk van de precieze massaverdeling. ‘Die verdeling moet je modelleren, maar er blijven veel onbekende factoren over.’ Deze onzekerheden beperken de onzekerheid van deze meettechniek.

Dit moet veranderen met het online komen van een nieuwe telescoop in Chili in 2021, die de complete sterrenhemel elke paar nachten in kaart brengt. Dit zogeheten Vera Rubin-observatorium zal naar verwachting duizenden dubbele gelensde bronnen ontdekken, en daarmee de mogelijkheid om de Hubble-constante verder te preciseren.

 

 

Duizenden zwaartekrachtlenzen

Harvey: ‘Het probleem is alleen dat het modelleren van al die verschillende lens-sterrenstelsels onmogelijk is met de beschikbare rekenkracht.’ In plaats daarvan ontwikkelde Harvey een methode om het gemiddelde effect te berekenen van de massa-verdelingen van duizenden zwaartekrachtlenzen.’

‘Op die manier zijn individuele details van zwaartekrachtlenzen niet zo belangrijk, en je hoeft ze niet allemaal los te simuleren. Je modelleert eigenlijk de complete populatie aan zwaartekrachtlenzen’, zegt Harvey.

‘In het paper laat ik zien dat deze aanpak de foutmarge in de Hubble-constante terug kan brengen naar 2 procent als je tegen de duizenden sterrenstelsels meeneemt.’

Deze foutenmarge maakt het mogelijk een vergelijking te maken tussen de verschillende Hubble-constanten, en helpt misschien zelfs het verschil te begrijpen. ‘En als je onder die 2 procent wil duiken, moet je het model nog verder verbeteren met betere simulaties’, zegt Harvey, ‘ik verwacht dat dat goed mogelijk is.’

Bron: Universiteit van Leiden.

Comments

  1. Etienne Durinck zegt

    Afbuigend sterrenlicht. Hoeveel (miljarden ?) kilometer heeft dit licht dus meer afgelegd dan wanneer het zonder enige afbuiging ons rechtstreeks zou bereikt hebben ?

    • Tijdsverschil maal de lichtsnelheid.

      Voorbeeld: tijdsverschil (zie tekst) is 83 dagen, 7 uur, 11 minuten en 23 seconden. Reken om naar seconden, vermenigvuldig met 300.000 en antwoord is dan:
      ongeveer 2*10^12 km, 2 biljoen km extra dus.

      Die 300.000 is technisch een afronding natuurlijk, maar het is een redelijke indicatie.

      • Dat klinkt trouwens als veel, maar het is minder dan 15.000 keer de afstand aarde-zon. Minder dan een kwart van de afstand naar de Oortwolk, de (hypothetische) bol waaruit lang-periodieke kometen vermoedelijk afkomstig zijn.

        Dit antwoord is wellicht niet helemaal wat je bedoelde. Als je echt wilt weten hoeveel minder kilometer licht zou afleggen zonder een verstorend stelsel ertussen, stuit je op een probleem: het licht wat nu wordt afgebogen zodat wij die dubbele beelden zien, zou helemaal niet bij ons aankomen zonder dat verstorende stelsel. Het enige licht van dat bronstelsel wat ons in dat geval zou bereiken, bereikt ons nu ook al (zichtbaar of niet). Dat is het licht dat recht vanachter door het lensstelsel komt.

        Dus dit is een vraag die in deze vorm niet echt beantwoord kan worden: licht dat ons niet zou bereiken doet dat nu wel. Het eerste is een oneindige grote afstand, het tweede een eindige. Het lijkt er dus op dat gelensd licht geen langere afstand aflegt, maar juist een kortere 😉

        • Dat laatste is ietwat voorbarig @June, dat geldt alleen voor fotonen die de aarde weten te raken, maar de grootse flux van het “gelensde” licht gaat alsnog aan alle kanten langs de aarde het oneindige universum in. Het zou overigens mooi zijn als de bron ook nog wat pulseert zodat ook die tijdsverschillen nog gecorreleerde data oplevert ter controle.

          • Klopt, het ging hier om het deel dat ons wel bereikt. Die laatste zin zou je kunnen aanvullen met “…om ons te bereiken” maar dat vond ik, gezien de vraag van Etienne, impliciet.

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: