Innovatieve metingen van het universum
Onlangs hebben onderzoekers van de Universiteit van Tokio voet aan de grond gekregen in het meten van de expansiesnelheid van het universum met behulp van geavanceerde technieken en nieuwe gegevens van de modernste telescopen. Volgens publicaties in ‘Astronomy and Astrophysics’ maakt hun methode gebruik van de manier waarop het licht van extreem verre objecten meerdere routes neemt om ons te bereiken. De verschillen in deze routes bieden meer inzicht in de modellen van wat er op de grootste kosmologische schalen gebeurt, waaronder de expansie van het universum.
De controversy over de expansiesnelheid
Er bestaat een belangrijke en nog niet opgeloste controverse in de kosmologie over de snelheid waarmee het universum zich uitbreidt. Het oplossen van deze kwestie zou mogelijk nieuwe fysica aan het licht brengen. Astronomen zoeken voortdurend naar nieuwe manieren om deze expansie te meten, in het geval dat er onerkende fouten in de gegevens van traditionele indicatoren, zoals supernova’s, blijken te zitten.
De omvang van het universum en de Hubble-constante
Het universum is enorm en wordt steeds groter. Hoewel het exacte formaat nog onbekend is, is de uitzettende snelheid wel bekend. Hoe verder men kijkt, des te sneller de objecten lijken zich van ons weg te bewegen. Het is vastgesteld dat voor elke 3,3 miljoen lichtjaar (een megaparsec) afstand, die objecten zich verwijderen met ongeveer 73 kilometer per seconde. Dit getal wordt aangeduid als de Hubble-constante, die in de cosmologie een centrale rol speelt.
Methoden om de Hubble-constante te bepalen
Er bestaan diverse manieren om de waarde van de Hubble-constante te bepalen. Tot nu toe waren alle benaderingen gebaseerd op afstandsmaatstaven, zoals supernova’s en Cepheïden-sterren, waarvan men aanneemt dat ze voldoende begrepen worden om hun afstanden en eigenschappen nauwkeurig te meten, zelfs in andere galaxieën. Ondanks tientallen jaren observaties is de onzekerheid in deze metingen niet afgenomen, hoewel verbeteringen in de methode zeker gewaardeerd worden door cosmologen.
De nieuwe aanpak: cosmografie door vertragingstijd
In een recent artikel hebben astronomen, waaronder assistent-professor Kenneth Wong en postdoctoraal onderzoeker Eric Paic van het Centrum voor Het Onderzoek naar het Vroeguniversum aan de Universiteit van Tokio, met succes een nieuwe methode getest die bekendstaat als ‘cosmografie van vertragingstijd’. Deze techniek vermindert de afhankelijkheid van afstandsmaatstaven en kan mogelijk significante gevolgen hebben voor andere gebieden binnen de kosmologie.
Werking van de vertragingstijd-methode
Volgens Wong is het noodzakelijk dat een zeer massieve galaxy als gravitatielens dient. De zwaartekracht van deze ‘lens’ buigt het licht dat van achterliggende objecten komt, waardoor wij een vervormde versie ervan zien. Dit fenomeen staat bekend als gravitatie lenseffect. Onder gunstige omstandigheden ontstaan meerdere, vervormde beelden die elk een iets andere route hebben afgelegd om ons te bereiken, met verschillende tijdsintervallen.
Door gelijke veranderingen in deze beelden te zoeken die net iets verschoven zijn in tijd, kunnen ze de vertragingstijd meten. Wanneer deze gegevens worden gecombineerd met schattingen van de massa-verdeling van de lens, kan de beweging van verre objecten nauwkeuriger worden bepaald. De gemeten Hubble-constante ligt binnen de grenzen die door andere methoden worden erkend.
De drijfveer achter het zoeken naar de waarde
Het uitrekenen van een precieze getal is onderdeel van een poging om de nog onopgeloste mysteries van de kosmos te begrijpen. De momenteel algemeen geaccepteerde waarde van 73 km/s per megaparsec voor de Hubble-constante is gebaseerd op metingen van nabije objecten. Echter, het gebruik van de kosmische achtergrondstraling (CMB), die overblijft van de oerknal, levert ander resultaat op: een waarde van 67 km/s/Mpc.
Deze verschillen worden de ‘Hubble-tensions’ genoemd. Het onderzoek van Wong, Paic en hun collega’s helpt te verduidelijken of deze discrepanties kunnen wijzen op nieuwe fysische processen, of dat ze slechts een gevolg zijn van meetfouten.
Verdeeldheid en onzekerheden
Wong merkt op dat zijn metingen meer overeenkomen met de huidige observaties en minder met de metingen op basis van het vroege universum, zoals de CMB. Dit suggereert dat de Hubble-tension mogelijk voortvloeit uit natuurkundige fenomenen in plaats van uit meetfouten. Zijn methode is volledig onafhankelijk van andere benaderingen, zowel in het vroege als in het late universum.
Paic voegt eraan toe dat het vergroten van de steekproefgrootte essentieel is voor de verfijning van de nauwkeurigheid en voor het bevestigen van de Hubble-tension. Op dit moment ligt de precisie rond de 4,5%, maar voor een bevestiging met een betrouwbaarheidsniveau van 1 tot 2 procent is verdere verbetering nodig.
Toekomstige stappen en verwachtingen
Het team hoopt de nauwkeurigheid verder te verhogen door meer systemen van gravitatiekrachten te bestuderen, waaronder gemeten met de nieuwste telescopen zoals de James Webb Space Telescope. Ze streven ernaar om de statistische kracht van hun gegevens te vergroten en systematische fouten te vermijden die de onzekerheid vergroten.
Een van de grote onzekerheden ligt in de verdeelsnelheid van massa binnen de lensgalaxieën. Het aannemen van eenvoudige massa-profielen kan afwijken van de werkelijkheid, en dat beïnvloedt de uitkomsten direct. Het onderzoek benadrukt dat de oplossing van de Hubble-tension mogelijk nieuwe fysische inzichten kan opleveren en een nieuwe fase in de kosmologie kan inluiden. De internationale samenwerking in dergelijke projecten onderstreept het belang van gedeelde kennis en gezamenlijke inspanningen in de wetenschappelijke wereld.
