Teleskop Luar Angkasa Webb mengukur laju ekspansi alam semesta

Pengamatan gabungan dari NIRCam (Near Independent Camera) NASA dan kamera WFC3 (Wide Field Camera 3) NASA menunjukkan galaksi spiral NGC 5584, 72 juta tahun cahaya dari Bumi. Di antara bintang terang di NGC 5584 terdapat pulsar yang disebut variabel Cepheid dan supernova Tipe Ia, kelas khusus bintang yang meledak. Para astronom menggunakan variabel Cepheid dan supernova Tipe Ia sebagai penanda jarak yang dapat diandalkan untuk mengukur laju perluasan alam semesta. Sumber gambar: NASA, ESA, CSA, dan A. Riess (STScI)

Ketegangan Hubble mengacu pada perbedaan antara laju ekspansi alam semesta yang diamati dan yang diharapkan. itu Teleskop Luar Angkasa James Webb Merevisi pengukuran yang dia lakukan sebelumnya Teleskop Luar Angkasa Hubble. Meskipun ada kemajuan, masih ada pertanyaan mengenai perluasan alam semesta yang cepat dan kemungkinan fenomena kosmik yang mendasarinya.

Laju perluasan alam semesta, yang dikenal sebagai konstanta Hubble, merupakan salah satu kriteria mendasar untuk memahami evolusi dan nasib akhir alam semesta. Namun, terdapat perbedaan terus-menerus yang disebut “ketegangan Hubble” yang muncul antara nilai konstanta yang diukur oleh berbagai indeks jarak independen dan nilainya yang diharapkan dari ledakan besar itu senja.

NASATeleskop Luar Angkasa James Webb memberikan kemampuan baru untuk memeriksa dan menyempurnakan beberapa bukti pengamatan terkuat mengenai ketegangan ini. Peraih Nobel Adam Ries dari Universitas Johns Hopkins dan Institut Sains Teleskop Luar Angkasa mempresentasikan karya terbarunya dan rekan-rekannya menggunakan observasi Webb untuk meningkatkan akurasi pengukuran lokal konstanta Hubble.

Tantangan pengukuran kosmologis

“Pernahkah Anda kesulitan melihat tanda yang berada di ujung penglihatan Anda? Apa maksudnya? Apa artinya? Bahkan dengan teleskop paling canggih sekalipun, ‘tanda’ yang ingin dibaca para astronom tampak begitu kecil sehingga kita kesulitan , juga.”

“Tanda yang ingin dibaca oleh para kosmolog adalah tanda batas kecepatan kosmik yang memberi tahu kita seberapa cepat alam semesta mengembang – angka yang disebut konstanta Hubble. Tanda kita tertulis pada bintang-bintang di galaksi jauh. Kecerahan beberapa bintang di galaksi jauh.” galaksi-galaksi tersebut memberi tahu kita seberapa jauh jaraknya, dan dengan demikian berapa lama waktu yang telah ditempuh cahaya.” Untuk mencapai kita, pergeseran merah galaksi memberi tahu kita seberapa besar perluasan alam semesta selama periode tersebut, dan dengan demikian perluasannya rata-rata.

Bagan ini menunjukkan gabungan kekuatan teleskop luar angkasa Hubble dan Webb milik NASA dalam menentukan jarak yang tepat ke kelas bintang variabel khusus yang digunakan untuk mengkalibrasi laju perluasan alam semesta. Bintang variabel Cepheid ini terlihat di bidang bintang yang padat. Polusi cahaya dari bintang-bintang di sekitarnya mungkin membuat pengukuran kecerahan Cepheid menjadi kurang akurat. Pandangan inframerah Webb yang lebih tajam memungkinkan target Cepheid diisolasi lebih jelas dari bintang-bintang di sekitarnya, seperti yang terlihat di sisi kanan diagram. Data Webb menegaskan keakuratan pengamatan Hubble terhadap Cepheids selama 30 tahun yang sangat penting dalam menentukan skala jarak kosmik terbawah untuk mengukur laju ekspansi alam semesta. Di sebelah kiri, NGC 5584 ditampilkan dalam gambar komposit dari Webb NIRCam (Near Independent Camera) dan Wide Field Camera 3 Hubble. Kredit gambar: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

“Sebuah kelas bintang tertentu, variabel Cepheid, telah memberi kita pengukuran jarak yang paling akurat selama lebih dari satu abad karena bintang-bintang ini luar biasa terangnya: mereka adalah bintang-bintang raksasa, seratus ribu kali luminositas Matahari. Selain itu, mereka berdenyut (yaitu mengembang dan menyusut besarannya) dalam jangka waktu beberapa minggu, yang menunjukkan kecerahan relatifnya. Semakin lama periodenya, maka secara intrinsik semakin terang galaksi tersebut. Ini adalah instrumen standar terbaik untuk mengukur jarak antar galaksi seratus juta tahun cahaya atau lebih jauhnya, dan ini merupakan langkah penting dalam menentukan konstanta Hubble. Sayangnya, Bintang-bintang di galaksi berkumpul bersama dalam area kecil dari sudut pandang kita yang jauh, sehingga kita sering kali tidak mempunyai resolusi untuk memisahkannya dari bintang-bintang tetangga yang saling berhadapan.

Kontribusi Hubble dan perkembangan Webb

“Alasan utama pembangunan Teleskop Luar Angkasa Hubble adalah untuk mengatasi masalah ini. Sebelum peluncuran Hubble pada tahun 1990 dan pengukuran Cepheid berikutnya, laju perluasan alam semesta sangat tidak pasti sehingga para astronom tidak yakin apakah alam semesta mengembang sebesar 10 miliar atau 20 miliar.” miliar tahun. Laju ekspansi yang lebih cepat akan menghasilkan usia alam semesta yang lebih muda, dan laju ekspansi yang lebih lambat akan menyebabkan usia alam semesta yang lebih tua. Hubble memiliki resolusi panjang gelombang tampak yang lebih baik dibandingkan teleskop berbasis darat mana pun karena terletak di atas efek samar-samar atmosfer bumi. Hasilnya, ia dapat mengidentifikasi variabel Cepheid individual di galaksi yang jauhnya lebih dari seratus juta tahun cahaya dan mengukur interval waktu perubahan kecerahannya.

“Namun, kita juga harus mengamati bintang-bintang Cepheid di bagian spektrum inframerah-dekat untuk melihat cahaya yang melewati debu di dalamnya tanpa cedera. (Debu menyerap dan menghamburkan cahaya optik biru, membuat objek yang jauh tampak redup dan menipu kita untuk berpikir) jaraknya lebih jauh.) Sayangnya, pandangan Hubble terhadap cahaya merah tidak setajam cahaya biru, sehingga cahaya bintang Cepheid yang kita lihat di sana bercampur dengan bintang-bintang lain dalam bidang pandangnya. Kita dapat menghitung jumlah rata-rata pencampuran tersebut. , Secara statistik, dengan cara yang sama seperti dokter menghitung berat badan Anda dengan mengurangkan berat rata-rata pakaian dari pembacaan timbangan, namun hal ini menambah kebingungan pada pengukuran. Pakaian beberapa orang lebih berat dari yang lain.

“Namun, penglihatan inframerah yang tajam adalah salah satu kekuatan super dari Teleskop Luar Angkasa James Webb. Dengan cermin besar dan optik sensitif, ia dapat dengan mudah memisahkan cahaya Cepheid dari bintang-bintang terdekat dengan sedikit pencampuran. Pada tahun pertama Webb beroperasi dengan program pengamat kami, In Pada tahun 1685, kami mengumpulkan pengamatan Cepheids yang ditemukan oleh Hubble dalam dua langkah sepanjang apa yang dikenal sebagai tangga jarak kosmik. Langkah pertama melibatkan pengamatan Cepheids di galaksi dengan jarak geometris yang diketahui yang memungkinkan kita mengkalibrasi luminositas Cepheids yang sebenarnya. program, galaksi ini adalah NGC 4258. Langkah kedua adalah mengamati Cepheid di galaksi tuan rumah supernova Tipe Ia baru-baru ini. Menggabungkan dua langkah pertama akan mentransfer pengetahuan tentang jarak ke supernova untuk mengkalibrasi kecerahan sebenarnya. Langkah ketiga adalah untuk amati supernova-supernova jauh di mana perluasan alam semesta terlihat jelas dan dapat diukur dengan Membandingkan jarak yang disimpulkan dari kecerahan dan pergeseran merah galaksi-galaksi induk supernova. Urutan langkah-langkah ini dikenal sebagai tangga jarak.

“Kami baru-baru ini memperoleh pengukuran Webb pertama dari Langkah 1 dan 2 yang memungkinkan kami menyelesaikan tangga jarak dan membandingkannya dengan pengukuran sebelumnya menggunakan Hubble (lihat gambar). Pengukuran Webb telah secara signifikan mengurangi kebisingan dalam pengukuran Cepheid karena akurasi observatorium dalam jarak dekat. -panjang gelombang inframerah. Peningkatan seperti ini adalah impian para astronom! Kami mengamati lebih dari 320 bintang cepheid selama dua langkah pertama. Kami memastikan bahwa pengukuran sebelumnya oleh Teleskop Luar Angkasa Hubble akurat, meskipun lebih berisik. Kami juga mengamati empat host supernova menggunakan Webb, Kami melihat hasil serupa untuk seluruh sampel.

Bandingkan hubungan antara periode Cepheid dan luminositas yang digunakan untuk mengukur jarak. Titik merah berasal dari Webb NASA, dan titik abu-abu berasal dari Hubble NASA. Panel atas didedikasikan untuk NGC 5584, host supernova tipe Ia, dengan sisipan yang menunjukkan stempel gambar Cepheid yang sama yang dilihat oleh masing-masing teleskop. Panel bawah adalah untuk NGC 4258, sebuah galaksi dengan jarak geometris yang diketahui, dengan sisipan menunjukkan perbedaan koefisien jarak antara NGC 5584 dan NGC 4258 yang diukur menggunakan masing-masing teleskop. Kedua teleskop berada dalam kesepakatan yang sangat baik. Kredit gambar: NASA, ESA, A. Riess (STScI), dan G. Anand (STScI)

Misteri ketegangan Hubble yang sedang berlangsung

“Hasil yang belum bisa dijelaskan adalah mengapa alam semesta mengembang begitu cepat! Kita bisa kebanggaan Laju perluasan alam semesta dengan mengamati gambarannya yang baru lahir Latar belakang gelombang mikro kosmik, lalu kami menggunakan model terbaik kami tentang pertumbuhannya seiring berjalannya waktu untuk memberi tahu seberapa cepat alam semesta berkembang saat ini. Fakta bahwa ukuran tingkat ekspansi saat ini jauh melebihi ekspektasi merupakan masalah yang telah berlangsung selama satu dekade yang disebut “Hubble jitter”. Kemungkinan yang paling menarik adalah bahwa stres merupakan bukti adanya sesuatu yang kita lewatkan dalam pemahaman kita tentang alam semesta.

“Ini bisa menunjukkan adanya energi gelap eksotik, materi gelap eksotik, revisi pemahaman kita tentang gravitasi, atau keberadaan partikel atau medan unik. Penjelasan paling sederhana adalah bahwa beberapa kesalahan pengukuran berkonspirasi ke arah yang sama (para astronom (mengesampingkan satu kesalahan menggunakan langkah-langkah independen), Itulah mengapa sangat penting untuk mengulangi pengukuran dengan lebih tepat. Dengan konfirmasi Webb terhadap pengukuran Hubble, pengukuran Webb memberikan bukti terkuat bahwa kesalahan sistematis dalam fotometri Cepheid Hubble tidak berperan penting dalam fotometri Hubble. Kegelisahan saat ini, sebagai akibatnya, kemungkinan besar Minat ada di meja dan misteri yang menegangkan semakin dalam.

Posting ini menyoroti data dari A kertas Yang telah diterima sebelumnya Jurnal Astrofisika.

Referensi: “Tidak Ada Lagi Kerumunan: Akurasi Konstanta Hubble Diuji dengan Pengamatan Objek Cepheid Resolusi Tinggi dengan Teleskop Luar Angkasa James Webb” oleh Adam J. Rees, Gagandeep S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Proval, Dan Skolnick, Marshall Perrin, dan Richard I. Anderson, menerima, Jurnal Astrofisika.
arXiv:2307.15806

Penulis: Adam Ries adalah Profesor Terhormat Bloomberg di Universitas Johns Hopkins, Profesor Studi Luar Angkasa Thomas G. Barber di Sekolah Seni dan Sains JHU Krieger, astronom terkemuka di Institut Sains Teleskop Luar Angkasa, dan penerima Nobel 2011 Hadiah dalam Fisika.