Maailmankaikkeuden laajenemisnopeus, jota kutsutaan Hubble-vakioksi, on yksi perusparametreista kosmoksen kehityksen ja lopullisen kohtalon ymmärtämisessä. Hubble-jännitteeksi (Hubble Tension) kutsuttu ero on kuitenkin havaittavissa vakion arvoissa, joita on mitattu useilla riippumattomilla etäisyysmittareilla, ja alkuräjähdyksen ennustetun arvon perusteella. NASA/ESA/CSA:n James Webb -avaruusteleskooppi on vahvistanut, että Hubble-avaruusteleskoopin tekemät havainnot olivat koko ajan oikeita, ja se on poistanut kaikki Hubblen mittauksiin liittyvät epäilykset.
 |
Tämä kuva NGC 5468 -galaksista, joka sijaitsee noin 130
miljoonan valovuoden etäisyydellä Maasta, on yhdistelmä Hubble- ja James Webb
-avaruusteleskooppien havainnoista. Tämä on kaukaisin galaksi, josta on tunnistettu
kefeidejä, muuttuvia tähtiä. Ne ovat tärkeitä kilometripylväitä
maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden mittaamisessa. Kefeidien perusteella
laskettu etäisyys on ristiinkorreloitu galaksissa sijaitsevan Ia-tyypin
supernovan kanssa. Ia-tyypin supernovat ovat niin kirkkaita, että niiden avulla
voidaan mitata kosmisia etäisyyksiä paljon kefeidien etäisyysalueen
ulkopuolella, mikä laajentaa universumin laajenemisnopeuden mittauksia
syvemmälle avaruuteen. Tässä spiraaligalaksissa on neljä vastapäivään kaartuvaa spiraalihaaraa.
Kierteishaarat ovat täynnä nuoria, sinisiä tähtiä, ja niiden välissä on
purppuranpunaisia tähdenmuodostumisalueita, jotka näkyvät pieninä pisteinä.
Galaksin keskiosa on paljon kirkkaampi ja kellertävämpi, ja siinä on selvä
kapea lineaarinen palkki, joka on kulmassa kello 11:stä kello 5:een. Kierteishaarojen
ulkopuolella on kymmeniä punaisena näkyviä taustagalakseja. Avaruuden tausta on
musta.] Kuva: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI). |
Yksi NASA/ESA:n Hubble-avaruusteleskoopin rakentamisen
tieteellisistä perusteista oli käyttää sen havaintovoimaa universumin
laajenemisnopeuden tarkan arvon määrittämiseen. Ennen Hubblen laukaisua vuonna
1990 maanpäällisillä teleskoopeilla tehdyissä havainnoissa oli valtavia
epävarmuustekijöitä. Laajenemisnopeudelle saaduista arvoista riippuen
maailmankaikkeus saattoi olla 10 – 20 miljardia vuotta vanha. Viimeisten 34
vuoden aikana Hubble on kutistanut tämän mittaustuloksen alle yhden prosentin
tarkkuuteen ja kiinnittänyt eron 13,8 miljardin vuoden ikäarvoon.
Ikäarvio on saavutettu tarkentamalla niin sanottuja
"kosmisia etäisyysportaita" mittaamalla tärkeitä kilometripylväitä,
joita kutsutaan kefeideiksi. Kefeidien valon kirkkaus muuttuu jaksonpituudella,
joka on suoraan verrannollinen tähtien massaan. Näin ollen, havaitsemalla
kirkkauden muutoksia, voimme määrittää tähden absoluuttisen kirkkauden ja edelleen
voimme laskea niiden etäisyydet. Kefeidit ovat myös hyvin kirkkaita tähtiä,
joten niitä voidaan havaita hyvin kaukaa, joten ne soveltuvat hyvin tämän
tyyppiseen etäisyysmittaukseen.
Hubble-arvo ei kuitenkaan vastaa muita mittaustuloksia,
jotka viittaavat siihen, että maailmankaikkeus laajeni nopeammin
alkuräjähdyksen jälkeen. Nämä havainnot tehtiin ESA:n Planck-satelliitin
kartoittaessa kosmista mikroaaltotaustasäteilyä, joka on suunnitelma siitä,
miten maailmankaikkeuden rakenne kehittyy sen jälkeen, kun se on jäähtynyt
alkuräjähdyksestä.
Yksinkertainen ratkaisu dilemmaan olisi sanoa, että ehkä
Hubble-havainnot ovat vääriä, koska sen mittauksiin on hiipinyt epätarkkuutta
syvän avaruuden mittareista. Sitten tuli James Webb -avaruusteleskooppi, jonka
avulla tähtitieteilijät voivat tarkistaa Hubblen tulokset. Webbin
infrapunanäkymät kefeideistä vastasivat Hubblen optisen valon tietoja. Webb
vahvisti, että Hubble-teleskoopin tekemät havainnot olivat koko ajan oikeassa
ja poisti kaikki Hubblen mittauksiin liittyvät epäilykset.
Lopputulos on se, että niin sanottu Hubble-jännite (Hubble Tension),
joka vallitsee läheisen maailmankaikkeuden tapahtumien ja varhaisen
maailmankaikkeuden laajenemisen välillä, on edelleen kosmologeja työllistävä
arvoitus. Avaruuden kudokseen saattaa olla kietoutunut jotain, mitä emme vielä
ymmärrä.
Vaatiiko tämän ristiriidan ratkaiseminen uutta fysiikkaa?
Vai johtuuko se mittausvirheistä kahden eri menetelmän välillä, joita käytetään
avaruuden laajenemisnopeuden määrittämiseen?
"Kun mittausvirheet on poistettu, jäljelle jää
todellinen ja jännittävä mahdollisuus, että olemme ymmärtäneet
maailmankaikkeuden väärin", sanoo Adam Riess, Baltimoressa
sijaitsevan Johns Hopkinsin yliopiston fyysikko. Riess on
saanut Nobel-palkinnon siitä, että hän oli mukana löytämässä sitä, että
maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy salaperäisen ilmiön, jota nykyään
kutsutaan pimeäksi energiaksi.
Vuonna 2023 tehty ensimmäinen Webb-havainto vahvisti, että
Hubblen mittaukset laajenevasta maailmankaikkeudesta olivat tarkkoja.
Hubble-jännityksen lieventämisen toivossa jotkut tutkijat kuitenkin arvelivat,
että mittauksissa olevat näkymättömät virheet voivat kasvaa ja tulla näkyviin,
kun katsomme syvemmälle maailmankaikkeuteen. Erityisesti tähtien
joukkoistuminen voisi vaikuttaa systemaattisesti kaukaisempien tähtien
kirkkausmittauksiin.
Riessin johtama SH0ES (Supernova H0 for the Equation of
State of Dark Energy) -ryhmä sai lisähavaintoja Webbillä tehdyillä havainnoista
kefeideistä, jotka voidaan nyt korreloida Hubble-tietojen kanssa.
"Olemme nyt kattaneet koko Hubble-havaintojen
alueen, ja voimme sulkea mittausvirheen Hubble-jännityksen syyksi erittäin
suurella varmuudella pois", Riess sanoi.
Jotkin tähtitieteilijät ovat kuitenkin esittäneet, että kun
siirrytään "toista porrasaskelmaa" pitkin eteenpäin, kosmiset
etäisyystikkaat saattavat horjua, jos kefeidimittaukset muuttuvat
epätarkemmiksi etäisyyden kasvaessa. Tällaisia epätarkkuuksia voi esiintyä,
koska kefeidien valo voi sekoittua viereisen tähden valoon - vaikutus voi
korostua etäisyyden kasvaessa, kun tähdet pakkautuvat taivaalle ja niitä on
vaikeampi erottaa toisistaan.
Havaintohaasteena on se, että aiemmat Hubble-kuvat kaukaisemmista
kefeideistä näyttävät yhä enemmän sekoittuneilta ja päällekkäisiltä
naapuritähtien kanssa yhä suuremmilla etäisyyksillä meidän ja niiden
isäntägalaksien välillä, mikä edellyttää tämän vaikutuksen huolellista huomioon
ottamista. Välissä oleva pöly vaikeuttaa entisestään mittausten varmuutta
näkyvässä valossa. Webbin ir-havainnot kuitenkin läpäisevät pölyn ja erottaa
kefeidit tavallisista naapuritähdistä.
"Webbin ja Hubblen yhdistäminen antaa meille
molempien maailmojen parhaat puolet. Huomaamme, että Hubblen mittaukset pysyvät
luotettavina, kun nousemme pitemmälle kosmisella etäisyysportaalla",
Riess sanoo.
Uusissa Webb-havainnoissa on mukana viisi isäntägalaksia,
joissa on kahdeksan Ia-tyypin supernovaa ja joissa on yhteensä 1 000 kefeidiä. Havainnot
ulottuvat kaukaisimpaan galaksiin NGC 5468, josta kefeidejä on mitattu ja joka
on 130 miljoonan valovuoden etäisyydellä. "Tämä kattaa koko sen alueen,
jolla teimme mittauksia Hubblen avulla. Olemme siis päässeet kosmisten
etäisyystikkaiden toisen portaan päähän", sanoo toinen kirjoittaja Gagandeep
Anand (Space Telescope Science Institute Baltimore).
Hubble- ja Webb-avaruusteleskooppien vahvistus
Hubble-jännitteestä antaa muille observatorioille mahdollisuuden ratkaista
mysteeri, mukaan lukien NASAn tuleva Nancy Grace Roman
-avaruusteleskooppi ja ESA:n hiljattain käynnistämä Euclid-missio.
Tällä hetkellä Hubblen ja Webbin havaitsemat etäisyystikkaat
on asettanut tukevan ankkuripisteeseen ja Planckin havaitseman alkuräjähdyksen
jälkihehkun (kosminen taustasäteily) maailmankaikkeuden alun välille. Sitä,
miten maailmankaikkeuden laajeneminen muuttui näiden kahden päätepisteen
välissä kuluneiden miljardien vuosien aikana, ei ole vielä suoraan havaittu.
"Meidän on selvitettävä, puuttuuko meiltä jotain siitä, miten yhdistää
maailmankaikkeuden alku ja nykyhetki", Riess sanoo.
Nämä havainnot julkaistiin 6. helmikuuta 2024 ilmestyvässä The Astrophysical Journal Letters -lehdessä.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti