Mogelijk is er helemaal geen Hubble-spanning over de uitdijingssnelheid van het heelal

Credit: Dark Energy Survey/DOE/FNAL/DECam/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

Wat de Hubble-spanning is hoef ik jullie niet meer uit te leggen, een verwijzing naar het Hubble-spanningsdossier met daarin welgeteld 44 blogs volstaat denk ik wel. Recent onderzoek door de bekende sterrenkundige Wendy Freedman (Universiteit van Chicago) laat zien dat er mogelijk helemaal geen conflict is tussen de uiteenlopende metingen van de snelheid waarmee het heelal uitdijt, ergo dat er mogelijk helemaal geen Hubble-spanning is. Wat zij en haar collega’s deden was kijken naar een vrij nieuwe methode om die snelheid te bepalen en die uitgaat van de heliumflits bij rode reuzensterren – in 2019 deed ze daar al een eerste meting mee. Toen werd de meting nog gedaan door een waarneming aan zo’n rode reus in één nabij sterrenstelsel, maar sindsdien zijn meerdere rode reuzen bekeken in meerdere sterrenstelsels en die zijn op vier afzonderlijke manieren bekeken om de helderheden van de rode reuzen tijdens het korte moment van de zogeheten heliumflits te calibreren, manieren die slechts 1% van elkaar verschillen.

Die knik daar rechtsboven in het beroemde HR-diagram is de ‘Tip of the Red Giant Branch’, als de heliumflits plaatsvind. Credit: Lithopsian/Wikipedia.

Uitkomst van de nieuwste metingen is dat de Hubble constante H0 69,8 km/s/Mpc blijkt te zijn. Die waarde komt aardig overeen met de 67,4 km/s/Mpc die o.a. de Planck satelliet heeft bepaald aan de hand van de kosmische microgolf-achtergrondstraling (CMB) uit het vroege heelal. Maar hij is ook redelijk in de buurt van de 72 km/s/Mpc, die bepaald is aan de hand van type Ia supernovae en Cepheïden in het lokale heelal – sterker nog de waarde van Freeman’s H0 zit er zo’n beetje tussenin (iets meer in de buurt van de Planck-waarde). Freeman denkt dat er helemaal geen conflict is tussen de uiteenlopende waarden, maar dat ze uiteindelijk allemaal uit zullen komen op die waarde ergens tussenin, dus zeg 70 km/s/Mpc. En dat betekent dat er helemaal geen nieuwe natuurkunde nodig is om de Hubble-spanning te verklaren. Als de Hubble-spanning blijft bestaan en er zijn geen instrumentele fouten gemaakt, dan volstaat kennelijk het heersende Lambda-CMB model van het heelal niet en is er aanvullende ‘Nieuwe Natuurkunde’ nodig, zoals dat heet. Maar dat hoeft dus mogelijk niet. Freeman denkt dat nieuwe metingen, o.a. met de James Webb Space Telescope die in het najaar wordt gelanceerd, het uiteindelijk moeten oplossen. Bron: Phys.org.

DES Y3 is conform ΛCDM

Credit: DES Collaboration

Ja klopt, een titel in de categorie ‘Waar gaat dit in hemelsnaam over?’ Laat mij het uitleggen. Bij de Dark Energy Survey (DES) is verspreid over 758 nachten in de periode 2013-2019 bijna een achtste deel van de hemel gefotografeerd en zijn honderden miljoenen objecten gefotografeerd. Van die 758 nachten zijn er 345 stuks geanalyseerd, toen welgeteld 229 miljoen sterrenstelsels zijn bestudeerd. Die analyse – DES Y3 genaamd – is gestold in dertig wetenschappelijke artikelen, die ons leren hoe het heelal afgelopen 13,8 miljard jaar onder invloed van de zwaartekracht én donkere energie is uitgedijd – zie mijn blog van donderdag erover. Kernboodschap van de eerste drie jaar van DES:

Scientists measured that the way matter is distributed throughout the universe is consistent with predictions in the standard cosmological model, the best current model of the universe.

Ik heb een deel zelf vetgedrukt, zeg maar de kern van de kern. Dat standaard model is het ΛCDM model, het model dat uitgaat van het bestaan van donkere energie (Lambda) en donkere koude materie (CDM, Cold Dark Matter). DES Y3 is daar dus in overeenstemming mee. DES Y3 bevestigt eigenlijk ΛCDM. En da’s mooi, want afgelopen tijd is er ook best kritiek gekomen op het ‘concordantiemodel’, zoals het ook wel wordt genoemd. Binnen ΛCDM zijn nog wel verschillende stromingen en die blijven ook na DES Y3 bestaan. Zo komt uit DES Y3 een waarde van de Hubble-constante van H0=68 Mpc/km/s, een waarde die wel in overeenstemming is met de Planck en BAO waarden van het vroege heelal, maar niet met de lokale waarde bepaalt met de Hubble ruimtetelescoop aan de hand van Cepheïden en type Ia supernovae – de welbekende Hubble-spanning. In de grafiek bovenaan zie je de resultaten van DES Y3 met betrekking tot H0, een grafiek waarin de ‘gereduceerde’ constante van Hubble h = H0 / (100 km s-¹ Mpc-¹) wordt gehanteerd.

Credit: DES Collaboration

En tussen DES Y3 en Planck is ook een lichte spanning in resultaten, zoals te zien aan de grafiek hierboven, die over σ8 gaat, de mate van klonterigheid van de materie in het heelal. Planck is bruin, DES is blauwe-grijs. Het verschil tussen Planck en DES is 2,3σ, dat is iets wat bij toekomstige nieuwe waarden als ruis zal verdwijnen. Andere resultaten zijn is ook interessant: de parameter voor de toestandsvergelijking voor donkere energie ω is volgens DES Y3 ω=-1,031 ± 0,029 (lees deze Astroblog over dat ωCDM model van het heelal) en de massa van de drie smaken neutrino’s is bij elkaar massa van alle neutrino’s in Σmν <0,13 eV. Die ω is weer in overeenstemming met de uitkomsten van de KIDS-1000 Survey van de Leidse onderzoekers, waar ik vorig jaar over schreef. Kortom, de resultaten zijn aardig in concordantie met elkaar – het woord betekent letterlijk overeenstemming. Oh ja, over ongeveer vijf jaar wordt de analyse van alle gegevens gepubliceerd, dus DES Y6. Nog even geduld, ja?

Bron: In the Dark + Francis Naukas.

Hoe zit het nou met de Hubble constante, is die wel constant?

De Hubble Ultra deep Field, een zeer diepe blik op het heelal. Credit: NASA/ESA.

Mijn blog over de waarnemingen aan 1048 type Ia supernovae en de conclusie uit dat onderzoek dat de Hubble constante mogelijk niet constant is riep discussie op. De Hubble constante is toch sowieso niet constant, want hij verandert toch met de tijd?, zei collega-astroblogger Paul Bakker terecht. En als hij dan niet constant is, waarom noemen ze het dan toch een constante? Vandaar dat het goed is om wat meer aandacht te schenken aan wat die Hubble constante nou precies is en of ‘ie echt wel constant is.

De Hubble constante werd eind jaren twintig van de vorige eeuw ingevoerd door de Amerikaanse sterrenkundige Edwin Hubble en dat deed hij middels deze wet, die stelt dat sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen met een snelheid die evenredig is met hun onderlinge afstand:

H0=v/d

waarin H0 de Hubble constante op dit moment is, uitgedrukt in km/s/Mpc, d de afstand tot de aarde in megaparsec of Mpc (1 Mpc is ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar) en v de de snelheid (in km/s) waarmee het sterrenstelsel zich van ons verwijdert. Hubble nam enkele sterrenstelsels waar en zag ze door de gemeten roodverschuiving van de spectraallijnen van ons afbewegen (zie de grafiek hieronder), hetgeen hem tot de naar hem en de Belgische priester – sterrenkundige George Lemaître genoemde wet bracht.

Hubble’s oorspronkelijke grafiek uit 1929. Credit: Public Domain.

Feitelijk is het overigens zo dat niet de sterrenstelsels zich van ons af bewegen, maar is het de ruimte van het heelal dat expandeert en bewegen de sterrenstelsels mee. Hubble dacht toen zelf dat de waarde van H0 500 km/s/Mpc was, dat wil zeggen dat een sterrenstelsel op 1 Mpc afstand zich met 500 km/s van ons af beweegt, op 2 Mpc afstand met 2 x 500 km/s, enzovoorts. Later werd duidelijk dat die geschatte waarde veel te hoog is.

Sinds de introductie van de Hubble constante is duidelijk dat het eigenlijk een verkeerde naam is, want hij is niet constant. Nou ja deels wel, want hij is constant in afstand. Dat wil zeggen dat als de Hubble constante H0 in de buurt van ons Melkwegstelsel 70 km/Mpc is dat H0 dan ook in de buurt van een quasar of sterrenstelsel ver weg 70 km/s/Mpc is, oftewel op één en hetzelfde moment dijdt het heelal overal even snel uit. Of zoals blogger en sterrenkundige Ethan Siegel het omschrijft:

The reason we call it the Hubble constant is because the Universe expands at the same rate at every location in the Universe: the Hubble constant is constant throughout space.

De Hubble constante is dan wel constant in afstand, hij is niet constant in tijd, zoveel is ook duidelijk. De reden is niet zo moeilijk: door de voortdurende uitdijing van het heelal, die al zo’n 13,8 miljard jaar gaande is, neemt het volume van het heelal toe en neemt de gemiddelde dichtheid van de (donkere) materie en van de straling af. Daardoor zal de zwaartekracht gemiddeld afnemen en dat zorgt ervoor dat de snelheid van uitdijing afneemt. De uitdijing ging vroeger dus sneller, ergo H0 was toen hoger. Als voorbeeld: toen het heelal de helft van zijn huidige leeftijd had was de uitdijing 80% sneller dan de huidige snelheid, toen z’n leeftijd nog maar 10% van de huidige leeftijd was toen was de snelheid maar liefst 17 keer hoger.

De Hubble parameter (waarvan H0 de waarde op dit moment is) wordt steeds lager, tot een asymptotische limiet.

Ja maar wacht eens even, als de snelheid van de uitdijing van het heelal afneemt, waarom lezen we dan overal dat de snelheid van uitdijing van het heelal versneld, zoals kennelijk in 1998 voor het eerst waargenomen? Ah, dan komen we bij het hoofdstuk over de donkere energie, de mysterieuze kracht die met zijn afstotende werking zorgt voor die versnelling. Maar hoe zit dat dan precies, een dalende en versnelde uitdijing? Welnu, laten we even naar de toekomst gaan: als het heelal 138 miljard jaar oud is, dus tien keer ouder dan nu, dan is de snelheid van de uitdijing maar 18% lager dan z’n huidige snelheid. Ah, de afname van de snelheid waarmee het heelal uitdijt wordt steeds minder. Uiteindelijk zal die afname zelfs stoppen en zal de snelheid een vaste, constante waarde hebben. Dán (in de héél verre toekomst) zal H0 daadwerkelijk constant zijn. Nou ja, als de donkere energie tenminste veroorzaakt wordt door de Kosmologische constante, welke meer dan honderd jaar geleden door Einstein werd geïntroduceerd.

Als het heelal uitdijt verdunnen materie en straling en neemt hun dichtheid af. De energiedichtheid van de ruimte echter blijft gelijk. Credit: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Donkere energie is vermoedelijk gekoppeld aan de ruimtetijd zelf en als het daadwerkelijk de Kosmologische constante is dan is de hoeveelheid energie per cm³ altijd constant (zie afbeelding hierboven). In het vroege heelal was het volume van het heelal nog niet groot en daarmee was de afstotende werking van de donkere energie niet merkbaar. Dat veranderde pas zes miljard jaar geleden, toen het heelal zover was gegroeid in volume dat de donkere energie sterker werd dan de (donkere) materie en de straling. Er was eerder al een daling in gang gezet van de uitdijingssnelheid van het heelal, zoals de cijfers hierboven laten zien, maar door de werking van de donkere energie werd die afname versneld. En dat is dus wat er feitelijk aan de hand is: door de donkere energie vertraagt de afname van de snelheid van de uitdijing, dus de rem op de uitdijing wordt steeds minder. Technisch gesproken: De definitie van “versnelde uitdijing” is dat de tweede tijdsafgeleide van de kosmische schaalfactor [1]De schaalfactor a is een belangrijke parameter in de zogeheten Friedmann vergelijkingen van het expanderende heelal. Het is zeg maar de factor die weergeeft hoe snel de expansie gaat. positief is, oftewel dat de eerste afgeleide toeneemt met de tijd, wat overeenkomt met de vertragingsparameter q die negatief is, tsja zeg dat dan meteen! Tot die afname op een gegeven moment nul is en de snelheid van uitdijing constant is.

Het ?-CDM model van de versnelde uitdijing. Credit: Design Alex Mittelmann, Coldcreation

Kortom, de Hubble constante H0 is gedeeltelijk constant, namelijk wel in afstand [2]Tenzij uiteraard de onderzoekers van die 1048 supernovae gelijk hebben, dat de Hubble constante ook verandert met de roodverschuiving, d.w.z. met de afstand., maar niet in tijd. Hij zal óók in afstand constant zijn zodra het volume van het heelal zo groot is dat de sterrenstelsels zo ver van elkaar afstaan dat de (donkere) materie geen zwaartekrachtseffecten meer heeft en dat alleen de afstotende werking van de donkere energie nog heerst. Als die donkere energie gevormd wordt door de Kosmologische constante Λ dán zal de snelheid van uitdijing na het wegvallen van de zwaartekracht niet groeien, maar constant zijn, met een echt constante H0 als gevolg, volgens berekeningen iets van 55,7 km/s/Mpc.

Als de donkere energie niet gevormd wordt door de Kosmologische constante, dán hebben we weer een ander verhaal, dan kan je zoiets krijgen als de Big Rip. Dan heb je een donkere energie die niet constant is, maar met de tijd toeneemt, zoals de zogeheten fantoomenergie of kwintessens en het resultaat daarvan is dat de afname van de uitdijingssnelheid wordt omgebogen in een verhoging.

Metingen aan de waarde van de Hubble constante H0. Credit: Renerpho/Wikipedia.

Zijn we er nu met bovenstaand verhaal over de Hubble constante? Nee, nog steeds niet. Want wat ook nog speelt is de hele discussie rondom de juiste waarde van H0, de zogeheten Hubble-spanning. Los van de vraag of de Hubble constante wel of niet constant is hebben we ook nog de vraag wat nou precies vandaag de dag de juiste waarde van H0 is:  de waarde voor H0 is in het vroege heelal een andere dan de H0 in het huidige heelal (67,4 ± 0,5 km/s/Mpc versus 72,04 ± 2,67 km/s/Mpc – de rode versus zwarte stippen in de grafiek hierboven), een verschil dat niet zomaar wordt weggepoets als statistische ruis of dat komt door instrumentele fouten. Afijn, wordt vast en zeker vervolgd. Bron: grotendeels deze blog van Ethan Siegel.

References[+]

References
1 De schaalfactor a is een belangrijke parameter in de zogeheten Friedmann vergelijkingen van het expanderende heelal. Het is zeg maar de factor die weergeeft hoe snel de expansie gaat.
2 Tenzij uiteraard de onderzoekers van die 1048 supernovae gelijk hebben, dat de Hubble constante ook verandert met de roodverschuiving, d.w.z. met de afstand.

Onderzoek aan ruim 1000 supernova lijkt te wijzen op een veranderlijke Hubble ‘constante’

Voorstelling van het uitdijende heelal. Credit: NAOJ.

Een internationaal team van sterrenkundigen heeft op basis van onderzoek aan meer dan duizend supernovae aanwijzingen gevonden dat het model dat de uitdijing van het heelal het beste beschrijft uit moet gaan van een veranderlijke Hubble constante H0. Dat betekent dat die Hubble constante dus helemaal geen echte constante is, maar dat hij verandert met de tijd afstand – “We find that H0 evolves with redshift” zoals ze het zelf zeggen. Het team, dat onder leiding stond van Maria Dainotti (o.a. National Astronomical Observatory of Japan) keek naar welgeteld 1048 ver verwijderde supernovae en de resultaten van dat onderzoek zullen op 17 mei a.s. verschijnen in the Astrophysical Journal. Het zou kunnen dat de gegevens van die supernovae, die van type Ia zijn (exploderende witte dwergen) vertekend zijn en dat de Hubble constante helemaal niet veranderlijk is, maar daar willen ze met toekomstige waarnemingen met de Hyper Suprime-Cam van de Subaru Telescoop op Hawaï uitsluitsel over even. Klopt de conclusie wel, namelijk dat de Hubble constante veranderlijk is, dan is er mogelijk nieuwe natuurkunde nodig, die deze veranderlijkheid kan verklaren – “it could be due to astrophysical selection effects or to modified gravity”, zoals ze het zelf opperen.  Bron: NAO.

Wellicht kan de Hubble spanning opgelost worden met FRB’s, quasars én botsende neutronensterren en zwarte gaten

Impressie van een botsing van een zwart gat met een neutronenster. Credit: Dana Berry/NASA

Aan de Hubble-spanning heb ik een heel dossier gewijd met welgeteld 43 artikelen die sinds 2016 op de Astroblogs over de verhitte discussie over de expansie van het heelal zijn verschenen, dus daar weten jullie alles van. Nou wordt er op alle fronten gewerkt aan een oplossing van de Hubble-spanning en drie nieuwe ontwikkelingen zag ik deze week verschijnen:

  • de eerste is dat ze zwaartekrachtgolven afkomstig van botsende neutronensterren en zwarte gaten willen gaan gebruiken om de expansiesnelheid van het heelal precies te bepalen. Zwaartekrachtgolven van botsende zwarte gaten zijn al vaak gedetecteerd met de LIGO- en Virgo-detectoren, maar het nadeel van twee botsende zwarte gaten is dat die altijd een ‘schone’ botsing opleveren, met alleen maar zwaartekrachtgolven en verder niets. Een botsing van een zwart gat met een neutronenster daartentegen is niet schoon, daar kán allerlei soorten electromagnetische straling bij vrij komen (zie de impressie hierboven). En daarmee kan je dan heel goed de afstand tot de twee botsende objecten inschatten, als je de roodverschuiving in die straling kan meten. Nu gebeurt de detectie van neutronensterren en zwarte gaten nog te weinig, maar sterrenkundigen hebben simulaties gemaakt en daaruit blijkt dat er tussen 2025 en 2030 naar schatting zo’n  3000 botsingen tussen zwarte gaten en neutronensterren kunnen worden gedetecteerd met de dan bestaande detectoren, waarvan er pakweg 100 straling zullen uitzenden. En die honderd kunnen dan informatie opleveren over de exacte expansiesnelheid van het heelal. Hier het vakartikel, waar ook sterrenkundigen van de Universiteit van Amsterdam bij betrokken waren.
  • de tweede is dat ze een andere manier hebben bedacht om de expansiesnelheid van het heelal te meten (naast de gangbare methodes van het vroege heelal –  de fluctuaties in de kosmische microgolf-achtergrondstraling – en het huidige heelal – de Cepheïden en type Ia supernovae), namelijk de Fast Radio Bursts (FRB’s). Dat zijn zeer energierijke stoten van radiostraling, die zéér kort duren, enkele milliseconden. In een recent vakartikel wordt betoogd dat je FRB’s kunt hanteren als uitstekende indicator van de expansiesnelheid van het heelal als je z’n lokatie in het heelal kent, de positie aan de hemel én de zogeheten dispersie, de verbreding van het signaal in het spectrum. De auteurs denken dat als je van een paar honderd FRB’s die dispersie heel nauwkeurig kunt meten dat je dan een goede inschatting kan maken van de expansiesnelheid van het heelal (waarbij aangetekend dat een voorlopige analyse van zes FRB’s een Hubble constante van H0=62,5 Mpc/km/s opleverde, zelfs ónder de waarde van H0 van het vroege heelal).
  • de derde en laatste methode is dat ze quasars willen hanteren voor het bepalen van de expansiesnelheid van het heelal. Quasars zijn eigenlijk zeer actieve superzware zwarte gaten in de centra van ver verwijderde sterrenstelsels, zwarte gaten die zo actief en helder zijn dat ze de rest van het sterrenstelsel helemaal overstralen. Willen quasars bruikbaar zijn als afstandsindicator dan moeten we ze niet direct waarnemen, maar indirect, dat wil zeggen dat het licht van de quasar wordt vermeerderd tot meerdere beelden middels een tussen de quasar en de aarde staande zwaartekrachtlens, een sterrenstelsel of cluster van sterrenstelsels. In de afbeelding hieronder zie je een impressie van een quasar die we via zo’n zwaartekrachtlens zien:

    Credit: NASA/ESA/D. Player (STScI)

    Als dat licht van de ver verwijderde quasar dat lensstelsel passeert kan het zijn dat licht bijvoorbeeld aan de noordzijde er langer over doet om de aarde te bereiken dan licht aan de zuidzijde. Dat levert verschillende roodverschuivingen op, die in de praktijk erg lastig te meten te zijn. Maar een recente techniek, die ze de ‘intensity correlation speckles‘ noemen en die afkomstig is uit de optica, kan die verschillende roodverschuivingen wel meten en daarmee kunnen ze in de toekomst een betere inschatting maken van de expansiesnelheid van het heelal, aldus dit vakartikel.

Afijn, genoeg ontwikkelingen weer om tot een oplossing te komen voor de Hubble-spanning. Wordt vervolgd. Bron: voor de eerste methode Eurekalert, voor de tweede methode Astrobites en voor de derde methode Universe Today.

Veel viervoudige quasars ontdekt met behulp van kunstmatige intelligentie

Vier van de ontdekte viervoudige quasars. De namen zijn verzonnen door Stern’s team. Credit: The GraL Collaboration

Een team van sterrenkundigen heeft gebruikmakend van kunstmatige intelligentie een dozijn quasars ontdekt, die door de werking van een zwaartekrachtlens tussen de quasar en de aarde in beeld verviervoudigd zijn. Afgelopen veertig jaar waren al een stuk of vijftig van die viervoudige quasars bekend, maar dat aantal is in slechts 1,5 jaar tijd met 20% toegenomen door een team sterrenkundigen onder leiding van Daniel Stern (Jet Propulsion Laboratory). Zijn team keek met een methode van machinaal leren, genaamd Centaurus’ Victory, naar gegevens die verzameld zijn door talloze instrumenten, zoals de Europese Gaia ruimtetelescoop en NASA’s Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE). Dat leverde de ontdekking op van twaalf ‘quadruply-imaged quasars’ op, ook wel ‘quads’ genoemd. Het zijn niet echt vier quasars die vlak bij elkaar staan, maar het is slechts één quasar, waarvan het beeld door de zwaartekrachtwerking van een sterrenstelsel precies tussen de quasar en de aarde in vieren wordt gesplitst (zie de afbeelding hieronder).

Zo ontstaat een viervoudige quasar. Credit: R. Hurt (IPAC/Caltech)/The GraL Collaboration

Men wil de viervoudige quasars gaan gebruiken om meer te weten te komen over de snelheid waarmee het heelal uitdijt. Zoals bekend is er de zogeheten Hubble-spanning, waarbij er verschil is in de waarde van de snelheid waarmee het heelal uitdijt op basis van waarnemingen aan het vroege heelal en het huidige heelal. De quasars zitten tussen het vroege en huidige heelal in en kunnen daarmee mogelijk een brug slaan tussen de twee uiteenlopende waarden. Hier het vakartikel van Stern et al, at gepubliceerd gaat worden in the Astrophysical Journal. Bron: CalTech.

Nieuwe waarde gevonden met SPT-3G voor de Hubble constante

In de donkere ellips in de gekleurde boog de uitkomsten van SPT-3G. De horizontale grijze band is de waarde op basis van waarnemingen aan het lokale heelal, de vertikale stippelijn geeft een niet gekromd heelal aan. Credit: L. Balkenhol et al.

Onderzoekers hebben met behulp van het SPT-3G CMB experiment, waarbij gebruik wordt gemaakt van de South Pole Telescope (SPT) op de Zuidpool, metingen gedaan aan de polarisatie [1]Zie deze blog over de polarisatie van de straling van de CMB. van de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB), de straling die nog resteert van de hete oerknal 13,8 miljard jaar geleden. Uitkomst van de metingen is dat volgens SPT-3G de Hubble constante, welke een maat is voor de snelheid waarmee het heelal expandeert, 67,49 ± 0,53 km s-¹ Mp-¹ is. Die waarde komt overeen met de eerder gevonden waarde die met de Planck satelliet is gevonden, ook op basis van metingen aan de CMB. En tegelijk staat de gevonden waarde in sterk contrast met de waarde die o.a. met de Hubble ruimtetelescoop is gevonden en die gebaseerd is op metingen aan het lokale heelal (ca. 73 km s-¹ Mpc-¹). Kortom, de Hubble Spanning blijft bestaan. De spanning tussen de lage waarde (vroege heelal) en hoge waarde (huidige heelal) heeft een statistische betrouwbaarheid van 4,1σ, dus het lijkt bijna uitgesloten dat er instrumentele oorzaken ten grondslag liggen aan het verschil. De onderzoekers (L. Balkenhol, D. Dutcher et al, University of Melbourne) hebben verder nog gekeken of ze op basis van de waarnemingen iets konden zeggen over mogelijke uitbreidingen van het standaard Λ-CDM model van het heelal, zoals het bestaan van meer smaken neutrino’s, van steriele neutrino’s en van een gekromde ruimte. Maar niets lijkt erop dat die uitbreidingen inderdaad bestaan op basis van SPT-3G. Hier het vakartikel over de SPT-3G waarnemingen aan de CMB, te verschijnen in Physical Review D. Bron: Astrobites.

References[+]

References
1 Zie deze blog over de polarisatie van de straling van de CMB.

Hubble constante berekend met fluctuaties in oppervlaktehelderheid elliptische sterrenstelsels

NGC 1453, één van de 63 onderzochte elliptische sterrenstelsels. Credit: Carnegie-Irvine Galaxy Survey

Er zijn afgelopen decennia al heel wat methodes bedacht en uitgevoerd om de Hubble constante te meten, de door Edwin Hubble in de jaren twintig van de vorige eeuw bedachte constante die een maat is voor de snelheid waarmee het heelal uitdijt. De oorspronkelijke door Hubble zelf bepaalde waarde was 500 km/s/Mpc, dat wil zeggen dat hij dacht dat een sterrenstelsel op 1 megaparsec (3,26 miljoen lichtjaar) afstand zich door de expansie van het heelal met 500 km/s van het Melkwegstelsel af beweegt, een stelsel op 2 Mpc afstand met 2 x 500 km/s, enzovoorts. Maar die waarde van H0 (Engels H-naught, de expansiesnelheid van het huidige heelal) was véél te groot. Maar wat is de waarde van H0 dan wel? Dat is nou juist het grote probleem waar de sterrenkundigen de afgelopen vijf jaar mee worstelen en wat bekend staat als de Hubble spanning. Op basis van verschillende methodes zijn er namelijk twee ‘kampen’ te onderscheiden, eentje die zich baseert op waarnemingen aan het vroege heelal en die een waarde hanteert van zo’n 67,4 ±0,5 km/s/Mpc, en dan is er eentje die zich baseert op waarnemingen aan het nabije, tegenwoordige heelal en die op 73,5 ±1,4 km/s/Mpc uitkomt. Recent is een nieuwe techniek toegepast, die kijkt naar de zogeheten fluctuaties in de oppervlaktehelderheid – surface brightness fluctuation (SBF) – van grote elliptische sterrenstelsels. Metingen van afstanden van sterrenstelsels doet men al decennia middels waarnemingen aan o.a. Cepheïden en type Ia supernovae, maar nu is er dus een nieuwe loot aan de boom van de afstandsladder, de fluctuaties in de oppervlaktehelderheid.

Een met Hubble gemaakte foto van NGC 1453 om de ‘surface brightness fluctuations’ te kunnen bepalen. Credit: Space Telescope Science Institute.

Een team van sterrenkundigen onder leiding van John Blakeslee (National Science Foundation’s NOIRLab) onderzocht 63 elliptische stelsels, in afstand varierend tussen 15 en 99 Mpc, da’s relatief dichtbij. Ellipsstelsels zijn oud en hebben relatief veel oude, rode reuzensterren in hun bevolking. Met de Wide Field Camera 3 aan boord van de Hubble ruimtetelescoop zijn die 63 stelsels in het infrarood gefotografeerd en de sterrenkundigen konden zo een goed beeld krijgen van die fluctuaties in de oppervlaktehelderheid. Door heel specifiek te kijken hoe iedere pixel van de foto verschilt van de gemiddelde oppervlaktehelderheid kan men inschatten of de stelsels dichtbij staan of ver weg. Zo was men in staat om de afstanden tot die elliptische stelsels te bepalen. En dat leverde op haar beurt weer een inschatting op van de waarde van de Hubble constante, die 73,3 ± 2,5  bleek te zijn, een waarde die goed overeenkomt met de waarde van het nabije heelal – niet zo verrassend. Het betekent dat de Hubble spanning blijft bestaan, dat die zelfs weer wat versterkt wordt. Voor de oplossing van die spanning zijn er twee mogelijkheden: in de waardebepaling van één van de kampen zitten systematische fouten of er is sprake van een nieuw soort van natuurkunde, die niet in het huidige Lambda-CDM model van het heelal vervat zit. Aangezien de SBF methode een nieuwe onafhankelijke methode is lijkt die de waarde van de andere instrumenten van het nabije heelal te bevestigen. Maar ook de waarde van het vroege heelal is gebaseerd op meerdere methodes en instrumenten, zoals waarnemingen aan de kosmsiche microgolf-achtergrondstraling en aan baryonische accoustische oscillaties. Beide kampen lijken qua instrumenten dus goed en betrouwbaar te zijn. Kortom: er lijkt toch iets te ontbreken aan het Lambda-CDM model van het heelal.

Hier de twee vakartikelen die er over het onderzoek aan de elliptische stelsels in the Astrophysical Journal verschenen zijn:

Bron: Eurekalert.

Nieuw type donkere energie zou de Hubble spanning op kunnen lossen

Credit: Pexels/Pixabay.

Dat het heelal uitdijt weten we sinds de waarnemingen van Edwin Hubble eind jaren twintig van de vorige eeuw, dat het versneld uitdijt weten we sinds 1998, toen twee onafhankelijke teams met behulp van type Ia supernovae de versnelde uitdijing ontdekten, dat er voor de  snelheid van die uitdijing twee sterk verschillende waardebepalingen zijn weten we sinds 2016. Dat laatste is een groot probleem volgens sterrenkundigen, omdat niet bekend is waar de Hubble-spanning, zoals het ook wel wordt genoemd, door ontstaat: is het een instrumenteel probleem, waarbij één van de waardebepalingen van de expansiesnelheid verkeerd gemeten is, of is het een fysiek probleem, waarbij er sprake is van natuurkundige effecten, die niet te vangen zijn met de bekende modellen? Martin S. Sloth en Florian Niedermannn, twee natuurkundigen van de Universiteit van Zuid-Denemarken denken dat het laatste het geval is, dat er sprake moet zijn van Nieuwe Natuurkunde om de Hubble-spanning op te lossen. In dit artikel, vorige maand verschenen in the Physical Review D, opperen ze het bestaan van een nieuw type donkere energie, eentje die voorkwam in het vroege heelal. Donkere energie, die een afstotende werking heeft, werd in 1998 geïntroduceerd als verklaring voor de versnelde uitdijing van het heelal. New Early Dark Energy (NEDE), zoals Sloth en Niedermannn het noemen, zou de verklaring van de twee uiteenlopende waardebepalingen van de Hubble constante kunnen zijn, de constante die een maat is voor de expansiesnelheid van het heelal. NEDE zou in het vroege heelal voorkomen en zou in een andere fase verkeren dan de donkere energie zoals wij die kennen. Op een gegeven moment zou NEDE door de uitdijing van het heelal en de daling van de energiedichtheid een faseovergang meemaken, een overgang die vergelijkbaar is als bijvoorbeeld water overgaat in ijs. In groeiende bellen zou NEDE in het vroege heelal over zijn gegaan in ‘gewone’ donkere energie. De berekeningen van Sloth en Niedermannn laten zien dat met NEDE de waardebepaling van de Hubble constante met behulp van de kosmische microgolf-achtergrondstraling én de waardebepaling met behulp van Cepheïden en type Ia supernovae allebei passen in het model. Daarmee zou de Hubble-spanning dan verklaard zijn!  Bron: Phys.org.

De leeftijd van het heelal is 13,77 miljard jaar

Temperatuursvariaties in de CMB. Dit stuk van de hemel is 25° groot (50 keer de diameter van de maan), in werkelijkheid een gebied van 20 miljard lichtjaar breed. Credit: ACT Collaboration

Een team van sterrenkundigen heeft gebruikmakend van de Atacama Cosmology Telescope (ACT) in de Atacama woestijn in Chili de leeftijd van het heelal vast kunnen stellen op 13,77 miljard jaar, met een onzekerheid van 40 miljoen jaar. Deze waarde komt goed overeen met de schatting die eerder gegeven was met de Planck satelliet, die tussen 2009 en 2013 de kosmische microgolf-actergrondstraling (Engels: CMB) bestudeerde, de straling die resteert van 380.000 jaar na de oerknal. De sterrenkundigen, die onder leiding staan van Steve Choi (Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science) keken met ACT vanuit Chili ook naar de CMB, net zoals Planck dat eerder deed. Door naar het zogeheten powerspectrum van de minieme temperatuursvariaties in de CMB te kijken konden ze de leeftijd van het heelal bepalen. Daarbij kijkt men naar de hoekdiameter van de ‘blobjes’ in de CMB, die een fractie onder of boven de gemiddelde temperatuur van de CMB zitten, die 2,72548±0,00057 K bedraagt. Met ACT was het team van Choi ook in staat om de Hubble constante te meten. Die blijkt H0=67,6 kilometer per seconde per megaparsec te zijn, d.w.z. dat een sterrenstelsel dat 1 Mpc (=3,26 miljoen lichtjaar) van ons vandaan staat door de expansie van het heelal met 67,6 km/s van ons vandaan vliegt, op 2 Mpc afstand met 2 x 67,7 km/s, etc… Die waarde van H0 komt goed overeen met de waarde die Planck vond van 67,4 km/s/Mpc, maar hij staat mijlenver van de waarde van 74 km/s/Mpc, die sterrenkundigen hebben gevonden met behulp van indicatoren in het huidige heelal, de parallax, Cepheïden en type Ia supernovae – de welbekende Hubble spanning. Het lijkt er toch echt steeds meer op dat er iets ontbreekt aan het huidige kosmologische model van het heelal.

The Atacama Cosmology Telescope: a measurement of the Cosmic Microwave Background power spectra at 98 and 150 GHz,” Choi et al, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Arxiv-versie.

Bron: Cornell.