Il telescopio spaziale Webb misura il tasso di espansione dell’universo

La tensione di Hubble si riferisce alla differenza tra il tasso di espansione osservato e quello previsto dell’universo. IL Telescopio spaziale James Webb Rivede le misurazioni effettuate in precedenza Telescopio spaziale Hubble. Nonostante i progressi, rimangono interrogativi sulla rapida espansione dell’universo e sui possibili fenomeni cosmici sottostanti.

La velocità con cui l’universo si sta espandendo, nota come costante di Hubble, è uno dei criteri fondamentali per comprendere l’evoluzione e il destino ultimo dell’universo. Tuttavia, esiste una differenza persistente chiamata “tensione di Hubble” che appare tra il valore della costante misurato da un’ampia gamma di indici di distanza indipendenti e il suo valore atteso da la grande esplosione crepuscolo.

NASAIl telescopio spaziale James Webb fornisce nuove capacità per esaminare e perfezionare alcune delle prove osservative più forti di questa tensione. Il premio Nobel Adam Ries della Johns Hopkins University e dello Space Telescope Science Institute presenta il recente lavoro suo e dei suoi colleghi utilizzando le osservazioni di Webb per migliorare la precisione delle misurazioni locali della costante di Hubble.

La sfida della misurazione cosmologica

“Hai mai lottato per vedere un segno che era al limite della tua visione? Cosa dice? Cosa significa? Anche con i telescopi più potenti, i ‘segni’ che gli astronomi vogliono leggere sembrano così piccoli che facciamo fatica a vedere un segno che era al limite della tua vista? Cosa dice? Cosa significa? , pure.”

“Il segno che i cosmologi vogliono leggere è il segno del limite di velocità cosmica che ci dice quanto velocemente l’universo si sta espandendo: un numero chiamato costante di Hubble. Il nostro segno è scritto nelle stelle di galassie lontane. La luminosità di alcune stelle in quelle galassie ci dicono quanto sono lontane, e quindi quanto tempo ha viaggiato quella luce.” Per raggiungerci, gli spostamenti verso il rosso delle galassie ci dicono quanto l’universo si è espanso in quel periodo, e quindi l’espansione Una media.

Questo grafico mostra la potenza combinata dei telescopi spaziali Hubble e Webb della NASA nel determinare le distanze precise di una classe speciale di stelle variabili utilizzate per calibrare il tasso di espansione dell’universo. Queste stelle variabili Cefeidi si vedono in campi stellari affollati. L’inquinamento luminoso proveniente dalle stelle circostanti può rendere meno accurata la misurazione della luminosità delle Cefeidi. La visione infrarossa più nitida di Webb consente di isolare più chiaramente il bersaglio delle Cefeidi dalle stelle circostanti, come si vede sul lato destro del diagramma. I dati di Webb confermano l’accuratezza di 30 anni di osservazioni di Hubble sulle Cefeidi, cruciali per determinare il gradino più basso della scala delle distanze cosmiche per misurare il tasso di espansione dell’universo. A sinistra, NGC 5584 è mostrata in un’immagine composita ottenuta dalla Webb NIRCam (Near Infrared Camera) e dalla Wide Field Camera 3 di Hubble. Credito immagine: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

“Una classe particolare di stelle, le variabili Cefeidi, ci hanno fornito le misurazioni più accurate della distanza per più di un secolo perché queste stelle sono straordinariamente luminose: sono stelle giganti, centomila volte la luminosità del Sole. Inoltre, pulsano (cioè espandersi e contrarsi in magnitudine) per un periodo di settimane indicando la loro luminosità relativa. Più lungo è il periodo, più è intrinsecamente più luminoso. È lo strumento gold standard allo scopo di misurare le distanze tra le galassie di cento milioni di anni luce o più distanti, ed è un passo cruciale nel determinare la costante di Hubble. Sfortunatamente, le stelle nelle galassie sono raggruppate insieme in una piccola area dal nostro punto di vista distante, quindi spesso non abbiamo la risoluzione per separarle dalle loro vicine in linea di vista.

Il contributo di Hubble e gli sviluppi di Webb

“La motivazione principale per costruire il telescopio spaziale Hubble era quella di risolvere questo problema. Prima del lancio di Hubble nel 1990 e delle successive misurazioni delle Cefeidi, il tasso di espansione dell’universo era così incerto che gli astronomi non erano sicuri se l’universo si stesse espandendo di 10 o 20 miliardi.” miliardi di anni. Questo perché un tasso di espansione più rapido porterà a un’età più giovane dell’universo, mentre un tasso di espansione più lento porterà a un’età più avanzata dell’universo. Hubble ha una migliore risoluzione della lunghezza d’onda visibile rispetto a qualsiasi telescopio terrestre perché si trova al di sopra degli effetti nebulosi dell’atmosfera terrestre e può quindi identificare singole variabili Cefeidi in galassie lontane più di cento milioni di anni luce e misurare l’intervallo di tempo in cui cambia la sua luminosità.

“Tuttavia, dobbiamo anche osservare le stelle Cefeidi nella parte del vicino infrarosso dello spettro per vedere la luce che passa indenne attraverso la polvere intermedia. (La polvere assorbe e disperde la luce ottica blu, facendo apparire deboli gli oggetti distanti e inducendoci a pensare sono più lontani di loro.) Sfortunatamente, la visione della luce rossa da parte di Hubble non è così nitida come quella della luce blu, quindi la luce delle stelle Cefeidi che vediamo lì è mescolata con altre stelle nel suo campo visivo. Possiamo calcolare la quantità media di mescolamento , Statisticamente, allo stesso modo in cui un medico calcola il peso sottraendo il peso medio degli indumenti dalla lettura della bilancia, ma così facendo si aggiunge confusione alle misurazioni. I vestiti di alcune persone sono più pesanti di altri.

“Tuttavia, la visione infrarossa nitida è uno dei superpoteri del telescopio spaziale James Webb. Con il suo grande specchio e l’ottica sensibile, può facilmente separare la luce Cefeide dalle stelle vicine con poca miscelazione. Nel primo anno di attività di Webb con il nostro programma di osservazione In Nel 1685, abbiamo raccolto le osservazioni delle Cefeidi trovate da Hubble in due fasi lungo quella che è conosciuta come la scala delle distanze cosmiche. Il primo passo prevede l’osservazione delle Cefeidi in una galassia con una distanza geometrica nota che ci consente di calibrare la vera luminosità delle Cefeidi. programma, questa galassia è NGC 4258. Il secondo passo consiste nell’osservare le Cefeidi nelle galassie ospiti delle recenti supernove di tipo Ia. La combinazione dei primi due passaggi trasferisce la conoscenza della distanza alle supernove per calibrare la loro vera luminosità. Il terzo passo consiste nell’osservare le Cefeidi osservare quelle supernove distanti in cui l’espansione dell’universo è evidente e può essere misurata confrontando le distanze dedotte dalla luminosità e dagli spostamenti verso il rosso delle galassie ospiti di supernova. Questa sequenza di passaggi è nota come scala delle distanze.

“Recentemente abbiamo ottenuto le prime misurazioni di Webb dai passaggi 1 e 2 che ci consentono di completare la scala delle distanze e confrontarle con misurazioni precedenti utilizzando Hubble (vedi figura). Le misurazioni di Webb hanno ridotto significativamente il rumore nelle misurazioni delle Cefeidi grazie alla precisione dell’osservatorio a prossimità -lunghezze d’onda dell’infrarosso. Questo tipo di miglioramento è ciò che gli astronomi sognano! Abbiamo osservato più di 320 stelle cefeidi durante le prime due fasi. Abbiamo confermato che le misurazioni precedenti effettuate dal telescopio spaziale Hubble erano accurate, anche se più rumorose. Abbiamo anche osservato quattro ospiti di supernova utilizzando Webb, abbiamo riscontrato un risultato simile per l’intero campione.

Confrontare le relazioni tra il periodo delle Cefeidi e la luminosità utilizzata per misurare le distanze. I punti rossi provengono dal Webb della NASA, mentre i punti grigi provengono dall’Hubble della NASA. Il pannello superiore è dedicato a NGC 5584, l’ospite della supernova di tipo Ia, con un riquadro che mostra le immagini della stessa Cefeide vista da ciascun telescopio. Il pannello inferiore è per NGC 4258, una galassia con una distanza geometrica nota, con il riquadro che mostra la differenza nei coefficienti di distanza tra NGC 5584 e NGC 4258 misurati utilizzando ciascun telescopio. I due telescopi sono in ottimo accordo. Credito immagine: NASA, ESA, A. Riess (STScI) e G. Anand(STScI)

Il mistero in corso della tensione di Hubble

“Ciò che i risultati non hanno ancora spiegato è il motivo per cui l’universo si sta espandendo così rapidamente! Noi possiamo farlo orgoglio Il tasso di espansione dell’universo osservando la sua immagine nascente Sfondo cosmico a microonde, quindi utilizziamo il nostro modello migliore di come cresce nel tempo per dirci quanto velocemente l’universo dovrebbe espandersi oggi. Il fatto che l’attuale misura del tasso di espansione stia drammaticamente superando le aspettative è un problema decennale chiamato “jitter di Hubble”. La possibilità più interessante è che lo stress sia la prova di qualcosa che ci sfugge nella nostra comprensione dell’universo.

“Ciò potrebbe indicare la presenza di energia oscura esotica, materia oscura esotica, una revisione della nostra comprensione della gravità o l’esistenza di una particella o di un campo unico. La spiegazione più semplice è che più errori di misurazione cospirano nella stessa direzione (gli astronomi (escluso un errore utilizzando passaggi indipendenti), ecco perché è così importante ripetere le misurazioni in modo più preciso. Con la conferma di Webb delle misurazioni di Hubble, le misurazioni di Webb forniscono la prova più forte finora che gli errori sistematici nella fotometria delle Cefeidi di Hubble non giocano un ruolo significativo nella fotometria di Hubble jitter attuale. Di conseguenza, l’interesse più probabile è sul tavolo e il mistero teso si approfondisce.

Questo post evidenzia i dati di A carta Che è stato accettato prima Giornale astrofisico.

Riferimento: “Niente più affollamento: accuratezza della costante di Hubble testata mediante osservazioni ad alta risoluzione di oggetti cefeidi con il telescopio spaziale James Webb” di Adam J. ReesGagandeep S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Proval, Dan Skolnick, Marshall Perrin e Richard I. Anderson, hanno accettato, Giornale astrofisico.
arXiv:2307.15806

Autore: Adam Ries è il Bloomberg Distinguished Professor presso la Johns Hopkins University, il professore di studi spaziali Thomas G. Barber presso la JHU Krieger School of Arts and Sciences, un illustre astronomo presso lo Space Telescope Science Institute e destinatario del Nobel 2011 Premio in Fisica.