Neutronstjerner giver astronomer en ny måde at måle Universets udvidelse på

De seneste år har astronomien stået i lidt af en krise: Selvom vi ved at Universet udvider sig, og selvom vi ved nogenlunde hvor hurtigt, stemmer de to vigtigste måder til at måle denne hastighed ikke overens. Nu foreslår astrofysikere fra Niels Bohr Institutet en ny målemetode, som potentielt kan løse krisen.

Galakser ligger nogenlunde stille i rummet, men selve rummet udvider sig. Dette får galakserne til at fjerne sig fra hinanden med stadig større hastighed. Præcist hvor hurtigt er dog lidt af et mysterium. Kredit: ESO/L. Calçada.

Universet udvider sig.

Dét har vi vist siden Edwin Hubble og andre astronomer for cirka 100 år siden målte hastigheden af en række omkringliggende galakser. Galakserne i Universet bliver “båret” væk fra hinanden af denne udvidelse, og fjerner sig derfor fra hinanden.

Jo større afstanden er mellem to galakser, jo hurtigere fjerner de sig fra hinanden, og den præcise hastighed dette sket med, er én af de vigtigste størrelser i moderne kosmologi. Tallet, som beskriver udvidelsen, går under navnet “Hubble-konstanten”, og det optræder i alskens forskellige ligninger og modeller af Universet og dets bestanddele.

Hubble trouble

For at forstå Universet, er vi altså nødt til at kende Hubble-konstanten så præcist som muligt. Der findes flere forskellige metoder til at måle den; metoder som er indbyrdes uafhængige, men alligevel heldigvis giver samme resultat.

Eller det vil sige, næsten… 

Den intuitivt lettest forståelige metode er i princippet den samme, som Edwin Hubble og hans kolleger brugte for 100 år siden: Find en masse galakser, og mål deres afstand og hastighed. I praksis gøres dette ved at finde galakser med eksploderende stjerner, såkaldte supernovaer. Denne metode komplimenteres af en anden metode, som går ud på at analysere ujævnheder i den såkaldte kosmiske baggrundsstråling; noget lys, som stammer helt tilbage fra kort efter Big Bang.

To metoder

Universets udvidelse måles i “hastighed per afstand”, og er godt og vel 20 km/s per million lysår. Dét betyder, at en galakse der ligger 100 millioner lysår væk, fjerner sig fra os med 2.000 km/s, mens en anden galakse 200 mio. lysår væk, fjerner sig med 4.000 km/s.
.
Men ved at måle galaksers afstande og hastigheder vha. supernovaer fås 22,7 ± 0,4 km/s, og ved at analysere Universets baggrundsstråling fås 20,7 ± 0,2 km/s.
.
Det lyder måske pernittengrynsk at bekymre sig om sådan en lille forskel, men tallet indgår f.eks. i beregningen af Universets alder, og de to metoder giver en alder på hhv. 12,8 og 13,8 milliarder år.

En analogi

Forskellen svarer til, at du og din ven begge måler højden af Rundetårn:
.
Du måler én mursten med en lineal, tæller antallet af mursten, og ganger op.
.
Din ven måler tårnets skygge og vinklen til Solen, og regner højden ud heraf.
.
I er begge ekstremt omhyggelige og ved, at jeres måleusikkerhed er 50 cm.
.
Men du får 40 meter, og din ven får 43 meter…

De to metoder — supernova-metoden og baggrundsstrålings-metoden — har altid givet lidt forskellige resultater. Men enhver måling er altid forbundet med måleusikkerheder, og for nogle år tilbage var usikkerhederne så store, at vi kunne give dem skylden for forskellen.

Jo bedre vi er blevet til at måle, jo mindre er usikkerhederne imidlertid blevet, og vi har nu nået et punkt, hvor vi med meget stor sikkerhed kan sige, at de ikke begge kan være rigtige.

Hvad der er årsagen til denne “Hubble trouble” — om det er ukendte effekter, der systematisk forskyder ét af resultaterne, eller om der måske er noget ny fysik vi endnu ikke har opdaget — er for tiden et af astronomiens varmeste emner.

Neutronstjerne-sammenstød kan hjælpe med svaret

En af de største usikkerheder ligger i at bestemme afstandene til galakser. Men i et nyt studie foreslår Albert Sneppen, PhD-studerende i astrofysik ved Cosmic Dawn Center i København, en ny metode til at måle afstande på, og dermed hjælpe til at afgøre disputten.

“Når to ultrakompakte neutronstjerner — som i sig selv er efterladenskaberne fra supernovaer — danser om hinanden og til sidst smelter sammen, futter de af i en ny eksplosion; en såkaldt kilonova,” forklarer Albert Sneppen. “Vi viste for nylig, hvordan denne eksplosion er bemærkelsesværdig symmetrisk, og det viser sig, at denne symmetri ikke bare er smuk, men også yderst brugbar.”

I et tredje studie, der netop er blevet udgivet, viser den overmåde produktive PhD-studerende, at kilonova-eksplosioner på trods af deres kompleksitet, kan beskrives med én enkelt temperatur. Og det viser sig, at kilonovaernes symmetri og simplicitet tilsammen gør astronomerne i stand til at beregne præcist hvor meget lys, de sender ud.

Ved at sammenligne denne lysstyrke  med, hvor meget lys der når ned til Jorden, kan forskerne beregne, hvor langt væk kilonovaen er. De har dermed opnået en ny, uafhængig, og potentielt mere nøjagtig metode til at beregne afstandene til de galakser, som indeholder kilonovaer.

Darach Watson er lektor på Cosmic Dawn Center og medforfatter på studiet. Han forklarer: “Supernovaer, som man hidtil har brugt til at måle galaksernes afstande, udsender ikke altid lige meget lys. Desuden kræver de i første omgang at man kalibrerer deres afstande vha. en anden slags stjerner, de såkaldte Cepheider, som i sig selv skal kalibreres. Ved at bruge kilonovaer kan vi komme omkring disse komplikationer, som indfører usikkerheder i målingerne.”

Illustration af de to metoder til at måle Universets udvidelse:Til venstre ses ekspanderende rest af den supernova, som Tycho Brahe opdagede i 1572, her observeret i røntgenstråler (kredit: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). Til højre ses et kort over den kosmiske baggrundsstråling fra den ene halvdel af himlen, observeret i mikrobølger (kredit: NASA/WMAP Science Team). Montage: Albert Sneppen.

Bekræfter én af de to metoder

 For at demonstrere metodens potentiale anvendte astrofysikerne den på en kilonova, som blev opdaget i 2017. Resultatet er en Hubble-konstant der er tættere på baggrundsstrålings-metoden, men om kilonova-metoden kan løse Hubble-balladen, tør forskere dog endnu ikke udtale sig om:

“Vi har endnu bare dette ene case study, og har brug for mange flere eksempler før vi har et robust resultat,” formaner Albert Sneppen. “Men vores metode omgår i hvert fald nogle kendte kilder til usikkerhed, og er et meget »rent« system at studere. Det kræver ingen kalibrering, ingen korrektions-faktor.”

 

Studiet er udgivet i dag i det videnskabelige tidsskrift Astronomy & Astrophysics.

Mere information

 

Tags: ,