Nova študija povečuje Hubblov sev, anomalijo pri meritvah stopnje kozmične ekspanzije, z zagotavljanjem najnatančnejše kalibracije zvezd cefeid za merjenje razdalje. To neskladje postavlja pod vprašaj temeljne koncepte v fiziki in ima posledice za razumevanje temne energije, časovno-prostorskega kontinuuma in gravitacije.

Ko gre za merjenje hitrosti širitve vesolja, so rezultati odvisni od tega, s katere strani vesolja začnete. Študija EPFL kalibrira najboljše kozmične parametre na ravni brez primere natančnostHubble meče novo luč na stres.

Hubblov sev, neskladje v stopnji kozmične ekspanzije (H0) med metodami merjenja zgodnjega vesolja in kasnejših vesolja, je zmedlo astrofizike in kozmologe. Študija skupine Stellar Standard Candles and Distance Research Group na Inštitutu za fiziko EPFL je dosegla najnatančnejšo kalibracijo zvezd cefeid za merjenje razdalje s povečanjem Hubblovega naprezanja. Neskladje postavlja pod vprašaj osnovne koncepte fizike in ima posledice za naravo temne energije, prostorsko-časovni kontinuum in gravitacijo.

Vesolje se širi – toda kako hitro? Zdi se, da je odgovor odvisen od tega, ali ocenjujete stopnjo kozmične ekspanzije – znano kot Hubblova konstanta ali H0 – na podlagi resonance veliki pok (Cozmic Microwave Background ali CMB) ali pa merite H0 neposredno na podlagi današnjih zvezd in galaksij. Ta problem, znan kot Hubblov stres, je zmedel astrofizike in kozmologe po vsem svetu.

Študija raziskovalne skupine Stellar Standard Candles and Distances, ki jo vodi Richard Anderson na Inštitutu za fiziko EPFL, dodaja nov košček sestavljanke. Njihova raziskava, objavljena danes (4. aprila) v reviji astronomija in astrofizikaDosegla najnatančnejšo kalibracijo zvezd cefeid – vrste spremenljive zvezde, katere svetlost niha v določenem obdobju – za meritve razdalje na podlagi podatkov, ki jih je zbral evropska vesoljska agencija (ESA) GAIA Cilj, Ta nova kalibracija še poveča Hubblovo deformacijo.

Ta Hubblova slika prikazuje RS Puppis, vrsto spremenljive zvezde, znane kot spremenljivka cefeida. Kot spremenljive zvezde imajo cefeide sorazmerno dolga obdobja – RS Puppis se na primer spremeni v svetlosti približno petkrat vsakih približno 40 dni. RS Puppis je nenavaden; To spremenljivo zvezdo obdaja gost, temen oblak prahu, ki omogoča, da se pojav, znan kot svetlobni odmevi, pokaže z osupljivo jasnostjo. Zasluge: NASA, ESA in Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Sodelovanje Hubble/Evropa. Zahvala: H Bond (STScI in Penn State University); ESA/Hubble in ESO

Hubblova konstanta (H0) je dobila ime po astronomu, ki je skupaj z Georgesom Lemaîtrom v poznih dvajsetih letih prejšnjega stoletja odkril ta pojav. Meri se v kilometrih na sekundo na sekundo megaparsek (km/s/Mpc), kjer je 1 Mpc približno 3,26 milijona svetlobnih let.

Najboljša neposredna meritev H0 uporablja “lestev kozmične razdalje”, katere prva stopnica je določena z absolutno kalibracijo sijaja cefeide, ki je zdaj ponovno umerjena s študijo EPFL. Po drugi strani pa cefeide umerjajo naslednjo stopničko lestvice, kjer supernove – močne eksplozije zvezd na koncu njihovega življenja – sledijo širjenju vesolja. Ta lestvica razdalj, izmerjena s supernovami, H0, skupine Equation for Dark Energy (SH0ES), ki jo vodi Adam Riess, dobitnik Nobelove nagrade za fiziko leta 2011, postavlja H0 na 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.

prvo sevanje po velikem poku

H0 je mogoče določiti tudi z interpretacijo CMB – ostanka vseprisotnega mikrovalovnega sevanja veliki pok Pred več kot 13 milijardami let. Vendar pa ta “zgodnje vesolje” merilna metoda Sprejmi Najbolj podrobno fizično razumevanje tega, kako se vesolje razvija, je odvisno od njegovih modelov. ESA deska Satelit je zagotovil najpopolnejše podatke o CMB in po tej metodi je H0 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.

Hubblova napetost se nanaša na to odstopanje 5,6 km/s/Mpc, odvisno od tega, ali se uporablja metoda CMB (zgodnje vesolje) ali metoda lestvice razdalje (pozno vesolje). Pod pogojem, da so meritve, opravljene na oba načina, pravilne, je posledica, da je nekaj narobe z našim razumevanjem osnovnih fizikalnih zakonov, ki vladajo vesolju. Seveda to ključno vprašanje poudarja, kako zanesljive so metode astrofizikov.

Lestev kozmične razdalje. Zasluge: NASA, ESA, A.I. Field (STScI) in A. Rees (STScI/JHU)

Nova študija EPFL je tako pomembna, ker krepi prvo stopničko lestvice razdalje z izboljšanjem kalibracije cefeidov kot sledilcev razdalje. Dejansko nam nova kalibracija omogoča merjenje astronomskih razdalj z natančnostjo ±0,9 %, kar daje močno podporo poznim meritvam vesolja. Poleg tega so rezultati, pridobljeni na EPFL v sodelovanju z ekipo SH0ES, pomagali izboljšati meritev H0, kar je povzročilo izboljšano natančnost in večji pomen Hubblovega stresa.

“Naša študija potrjuje stopnjo širitve 73 km/s/Mpc, a kar je še pomembneje, zagotavlja tudi najbolj natančno in zanesljivo kalibracijo cefeidov kot orodja za merjenje razdalje doslej,” pravi Anderson. “Razvili smo metodo, ki išče cefeide, ki pripadajo zvezdnim kopicam, sestavljenim iz več sto zvezd, s testiranjem, ali se zvezde gibljejo skupaj Galaxy, Hvala za trik, lahko ga izkoristimo po naših najboljših močeh Gajina Meritve paralakse izkoriščajo prednost v natančnosti, ki jo zagotavljajo številne zvezde članice kopice. To nam je omogočilo, da natančnost paralakse Gaia dvignemo do meja in zagotavljamo najtrdnejšo osnovo, na kateri je mogoče postaviti lestvico razdalje.

premislek o osnovnih pojmih

Zakaj je glede na ogromno velikost vesolja pomembna razlika le nekaj km/s/Mpc? “To neskladje ima ogromen pomen, ” pravi Anderson. »Predpostavimo, da želite izkopati predor po dveh nasprotnih straneh gore. Če ste pravilno ugotovili vrsto kamnine in če so vaši izračuni pravilni, se bosta dve luknji, ki ju kopljete, srečali v središču. ne, to pomeni, da ste naredili napako – ali so vaši izračuni napačni ali pa se motite glede vrste kamnine. To se dogaja s Hubblovo konstanto. Več potrditve kot dobimo, da so naši izračuni točni, bolj lahko zaključimo, da neskladje pomeni, da je naše razumevanje vesolja napačno, da vesolje ni takšno, kot smo mislili.

Neskladje ima več drugih posledic. Postavlja pod vprašaj zelo osnovna načela, kot je natančna narava temna energija, časovno-prostorski kontinuum in gravitacija. “To pomeni, da moramo ponovno razmisliti o osnovnih konceptih, ki tvorijo osnovo našega celotnega razumevanja fizike,” pravi Anderson.

Študije njegove raziskovalne skupine pomembno prispevajo tudi na drugih področjih. “Ker so naše meritve tako natančne, nam dajejo vpogled v geometrijo Rimske ceste,” pravi Mauricio Cruz Reyes, doktorski študent v Andersonovi raziskovalni skupini in glavni avtor študije. “Zelo natančna kalibracija, ki smo jo razvili, nam bo omogočila, da bolje določimo velikost in obliko Rimske ceste kot galaksije z ravnim diskom in njeno oddaljenost od drugih galaksij, na primer. Naše delo je tudi potrjeno, da bo potrjeno GAIA podatkov tako, da jih primerja s podatki, vzetimi iz drugih teleskopov.”

Referenca: “0,9-odstotna kalibracija lestvice svetilnosti galaktičnih cefeidov, ki temelji na podatkih Gaia DR3 odprtih kopic in cefeidov” Mauricia Cruza Reyesa in Richarda I. Andersona, 4. april 2023, astronomija in astrofizika,
DOI: 10.1051/0004-6361/202244775

Ta projekt je prejel sredstva Evropskega raziskovalnega sveta (ERC) v okviru programa Evropske unije za raziskave in inovacije Obzorje 2020 (št. pogodbe o dodelitvi sredstev 947660).

RIA financira SNSF prek profesorske štipendije Excelenza, številka štipendije PCEFP2_194638.