sciencetalk

In het artikeltje "volgend jaar een supernova" (klik) beschreef ik hoe het mogelijk was een supernova een jaar van tevoren te voorspellen.

Het principe is vereenvoudigd: Licht van een ver object (in het artikel een supernova) wordt door een tussenliggend object, een zwaar sterrenstelsel, verbogen alsof het door een lens gaat (Einstein lensing). Die verbuigingen ontstaan door de massa van het tussenliggend object dat de ruimtetijd krom trekt, en licht heeft zoals alles die kromming te volgen. Door heel nauwkeurig de massaverdeling van het tussenliggend object te bepalen kon het team voorspellen dat fotonen van een reeds waargenomen supernova ook via een andere gekromde weg onze telescopen zouden kunnen bereiken. Omdat die andere weg duidelijk langer was en dat licht dus langer onderweg zou zijn, zou de supernova nogmaals, maar nu op een wat andere plaats en pas over een jaar zichtbaar worden. Die voorspelling kwam uit en was een groot succes voor de astronomen.

 

Dit principe is nu door een groep astronomen van het Holicow samenwerkingsverband naar een nieuw niveau getild:

 

Zij gebruikten de Einsteinlensing van 5 quasars. Deze extreem heldere en verre objecten zijn actieve superzware zwarte gaten in de kern van veelal jonge sterrenstelsels die tijdens hun vreetpartij van sterren en andere objecten copieuze hoeveelheden straling het heelal in jagen. Dat gaat niet gelijkmatig; op het ene moment wordt er meer materie verslonden dan op een ander moment. De lichtkracht van een quasar kan dus nogal variëren.

 
De vijf onderzochte quasars die door Einsteinlensing meerdere keren zichtbaar zijn. Bron: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al. Klik voor grotere weergave.

 

Een van de tussenliggende stelsels ligt zo mooi in lijn tussen de quasar (genaamd HE0435-1223) en ons in, dat het Einsteinkruis bijna perfect van geometrie is:

 
Bron: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al. Klik voor grotere afbeelding.

 

Door nauwkeurig modelleren van het zwaartekrachtsveld van het tussenliggende stelsel en de invloed van andere stelsels in de directe omgeving werd de kromming van de ruimtetijd op diverse punten rond de massa berekend. Vervolgens werden de helderheidsvariaties van de verschillende afbeeldingen van de achterliggende quasars in het Einsteinkruis met een veelheid aan instrumenten (waaronder de Hubble Space telescoop en de Eso sterrenwachten in Chili) nauwkeurig bestudeerd. Zo moest het dus mogelijk zijn te berekenen hoeveel later een helderheidsvariatie in een lensing beeld te zien zou moeten zijn t.o.v. een ander beeld met een korter lichtpad.

 
Animatie van de vervorming van de ruimtetijd door de massa van een sterrenstelsel. Fotonen van de quasar (links) passeren op verschillende afstanden het zware stelsel in het centrum, worden hierdoor verschillend afgebogen en komen door het verschil in lichtpadlengte niet tegelijk bij de Aarde aan. Beslist niet op schaal. Bron: M.U. Klik op de afbeelding om de animatie te starten.

 

Tot nu toe verschilt dit weinig van het kunststukje dat bij de Refdal supernova uit eerdergenoemd artikel is verricht, maar er zit een adder onder het gras:

 

Niet alleen komen de helderheidsvariaties op verschillende tijdstippen aan door het padlengteverschil, maar een langere reisduur van de fotonen houdt ook in dat gedurende die langere reisduur het heelal meer expandeert en de fotonen dus nog wat later aankomen. Door nauwkeurig te modelleren en meten kan dus de expansiesnelheid van het heelal bepaald worden. De wetenschappers claimen deze snelheid met een nauwkeurigheid van ongeveer 3,8 procent gemeten te hebben. 

 

De door hun bepaalde waarde voor de Hubble constante ligt op  km/s per megaparsec, en dat is toch duidelijk hoger dan de via een andere methode m.b.v. de Planck satelliet vastgestelde waarde die op 67.8 ± 0.9 km/s per megaparsec ligt. Het heelal expandeert op basis van de Holicow waarnemingen ruwweg 6 tot 10% sneller dan volgens de meest precieze metingen van de Planck satelliet.

 
Waarden voor H₀ op basis van verschillende meetmethoden. Bron: Holicow team (zie papers)

 

Het verschil lijkt klein, maar roept vragen op:

 

De metingen van de Hubbleconstante op basis van veranderlijke sterren, supernovae en gravitatielenzen geven consequent een hogere expansiesnelheid aan dan de afleidingen op basis van de kosmische achtergrondstraling (Wmap en Planck), zie het grafiekje hierboven. Naarmate de meetmethoden nauwkeuriger worden, lijkt ook dit verschil zich sterker te manifesteren.

 

Naar de reden hiervan is het vooralsnog gissen; wellicht moet het ΛCDM model dat de kosmologen hanteren worden aangepast omdat donkere energie en/of donkere materie zich toch anders gedragen dan nu wordt aangenomen, of is het heelal minder vlak dan voorondersteld wordt bij de Wmap en Planck metingen. Dat zou op een nieuw, nog onontdekt, fenomeen kunnen duiden.


Daarom zet het Holicow team dit soort metingen door en hoopt a.d.h.v. ongeveer 100 quasars de expansiesnelheid met een nauwkeurigheid van ongeveer 1% te kunnen gaan bepalen.

 

Suyu: The expansion rate of the Universe is now starting to be measured in different ways with such high precision that actual discrepancies may possibly point towards new physics beyond our current knowledge of the Universe

 

Meer lezen: holicow


In onderstaande zes wetenschappelijke pre-print papers licht het Holicow team haar bevindingen uitgebreid toe:

Hier lichten enkele wetenschappers hun bevindingen nog eens toe:
 

Interessant! Kan die meetmethode ook gebruikt worden om de zin of onzin van alternatieve gravitatietheorieën te onderzoeken? 

Voor zover die alternatieve theorieën tot andere uitkomsten zouden gaan leiden moet dat te doen zijn.
 
De (incomplete) theorie van Verlinde bijvoorbeeld kan de gravitatiesterkte binnen een complexer systeem (een cluster bijvoorbeeld) niet verklaren. Hier is er waarschijnlijk sprake van een enkel sterrenstelsel dat voor de deflectie zorgt, dus wie weet leidt de theorie van Verlinde hier tot dezelfde resultaten. Maar bij de supernova op bestelling van het aangehaalde artikel is er sprake van een cluster van sterrenstelsel, en als daar de formules van Verlinde gebruikt zouden worden lijkt het mij sterk dat de supernova op het daardoor voorspelde punt in ruimte en tijd tevoorschijn was gekomen.

Maar wat heeft dit nu tot gevolg?
Big Rip?

Het heeft (nog) geen te bepalen gevolg.
 
De "Big Rip" is een hypothese die verband houdt met de versnelde expansie van het heelal. In de papers gaat het om een mogelijk toenemende discrepantie tussen principiële methoden om de Hubbleconstante (dus niet de versnelde expansie) te bepalen.
De methoden zouden hetzelfde resultaat op moeten leveren als de theorievorming correct is. Het begint er op te lijken dat er een schifting optreedt tussen de resultaten van de methoden. Als dat correct blijkt, dan is er iets mis met de aannames binnen de theorievorming.
 
Maar wat er dan mis is, is nog volledig onbepaald, net zoals de eventuele gevolgen.

Het blijft tobben met de Hubbleconstante.

 

In een paper (bijlage) melden Ries et al de resultaten van de meest nauwkeurige bepaling van deze constante op basis van waarnemingen met de Hubble ruimtetelescoop. De snelheid waarmee volgens deze metingen het heelal expandeert blijft significant afwijken van de expansiesnelheid zoals deze is gemeten door de Planck missie.  
 
Het team was in staat om door middel van extreem nauwkeurige metingen van parallaxen van een aantal veranderlijke sterren (Cepheïden, zie ook dit topic) de nauwkeurigheid van meetlat voor afstanden in het heelal sterk op te voeren. Met behulp van deze nauwkeurige afstandsmetingen kon a.d.h.v. de kosmologische roodverschuiving de expansiesnelheid van het heelal nauwkeurig bepaald worden.

 

De door hun bepaalde waarde voor de Hubble constante ligt op 73,24 ± 1,74 km/s per mpc, vrijwel overeenkomend met de recente metingen van het Holicowteam (zie openingsbericht). En daarmee wordt de afwijking t.o.v. de Planck meting (67,8) bevestigd. Naar een verklaring voor dit verschil van bijna 8% blijft het vooralsnog gissen. Het team geeft aan dat de kans dat meetfouten of toeval zeer gering is, ongeveer 1 op 5000.
   
Mogelijk ligt er nieuwe fysica aan het verschil ten grondslag. Een van de geopperde oorzaken zou 'donkere straling' (klik) kunnen zijn. Een hypothetisch deeltje, met de vreemde naam 'steriele neutrino' (klik) zou verantwoordelijk kunnen zijn voor deze straling. Deze deeltjes die met bijna de lichtsnelheid door het heelal razen zouden niet interacteren via de bekende krachten (elektromagnetische- sterke en zwakke kracht), maar alleen dmv zwaartekracht, en zijn een van de kandidaten voor donkere materie. Helaas is het tot nu toe zo, dat hoe harder er gezocht wordt naar dit soort deeltjes (waaronder de WIMP), hoe minder resultaat de zoektochten opleveren.
 
Het zal misschien lang duren voor het raadsel opgelost wordt, maar de kans dat nieuwe fysica uiteindelijk onze modellen van het heelal en de fundamentele deeltjes ingrijpend zal veranderen neemt met deze precisie observatie beslist niet af.
 
Meer lezen: hubblesite
Paper:

Wederom hebben Ries et al resultaten van onderzoek naar de Hubbleconstante gepubliceerd, en deze keer zijn bovengenoemde waarnemingen van de Hubble telescoop gecombineerd met die van Gaia (zie voor een uitgebreide beschrijving van Gaia DIT artikel). Gaia heeft met hoge nauwkeurigheid de expansiesnelheid aan de hand van metingen aan 50 Cepheïden bepaald.
 
De combinatie met deze zeer precieze astrometrische data van de Gaia satelliet leidt tot de meest nauwkeurige bepaling van de Hubbleconstante tot nu toe: 73,5 km/s per megaparsec met een nauwkeurigheid van ⁺/_- 2,2%. In onderstaande afbeelding heb ik deze meest recente meting toegevoegd:
   
De kloof tussen de bepalingen op basis van de Planck data i.c.m. het Lambda Cold Dark Matter model en de directe waarnemingen van de expansiesnelheid a.d.h.v. precisiemetingen neemt alleen maar toe, en de kans dat er hier iets zeer fundamenteels aan de hand is stijgt.
 
In Berlijn is er dit weekend een symposium aan gewijd (zie link onderin), hier een quote van de inleidende tekst:
 

Should this discrepancy eventually turn out to be clearly significant, its implication would be ground breaking – it would imply that either the early universe physics is less well understood than we thought, or there is a significant discrepancy in our local distance scale (which implies issues with our understanding of stellar structure), or it would be the first significant hint that the accelerated expansion cannot be explained with the simplest cosmological model, one with a cosmological constant, but rather requires a more dynamic dark energy.

 
Meer lezen:
Inleidende tekst symposium Berlijn: KLIK
Artikel van NASA over dit onderwerp: KLIK