Gåtan hur det lokala universum accelererar (i vintergatan och 600 ljusår om denna)

 

Bild https://noirlab.edu  Konstnärlig tolkning av de kosmiska avståndsstegen. En rad överlappande metoder som används för att mäta avstånd över universum där varje steg på stegen ger information som kan användas för att bestämma avståndet på nästa högre steg. Metoderna inkluderar observationer av pulserande Cepheid-variabla stjärnor, röda jättestjärnor som lyser med känd ljusstyrka, typ Ia-supernovor och vissa typer av galaxer. I ovan illustration börjar avståndsstegen vid Coma-hopen som är den närmaste galaxhopen till oss. Avståndet till Coma-klustret kan mätas direkt med hjälp av observationer av typ Ia-supernovor inom hopen. Typ Ia-supernovor har en förutsägbar ljusstyrka som gör dem pålitliga som objekt för avståndsberäkningar. CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA/J. Pollard Bildbehandling: D. de Martin & M. Zamani (NSF NOIRLab)

Astronomer har försökt mäta universums expansionshastighet med två fundamentalt olika metoder. Den ena metoden bygger på att mäta avstånd till stjärnor och galaxer i det närliggande universum. Den andra använder mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden för att förutsäga vad expansionshastigheten skulle vara idag enligt standardmodellen för kosmologi.

Dessa två metoder förväntas ge samma resultat men gör inte det. Mätningar baserade på det närliggande universum indikerar konsekvent en högre expansionshastighet omkring 73 kilometer per sekund per megaparsec medan förutsägelser utifrån det tidiga universum ger ett lägre värde, närmare 67 eller 68. Även om den numeriska skillnaden är måttlig är den mycket större än vad som kan förklaras av statistisk osäkerhet. Denna ihållande oenighet känd som Hubble-spänningen, har nu observerats i flera oberoende studier och olika teknik.

Genom att samla decennier av oberoende observationer i en enda, enhetlig ram har ett internationellt samarbete med astronomer uppnått den mest precisa direkta mätningen hittills av expansionshastigheten i det närliggande universum. I en artikel publicerad den 10 april i Astronomy & Astrophysics rapporterar H0 Distance Network (H0DN) Collaboration ett värde på Hubble-konstanten på 73,50 ± 0,81 kilometer per sekund per megaparsec, vilket motsvarar en precision på strax över 1%.

Studien, "The Local Distance Network: a community consensus report on the measurement of the Hubble-konstant med ∼1% precision," är resultatet av en bred samhällsinsats som lanserades vid International Space Science Institute (ISSI) Breakthrough Workshop, "What's under the H0od?", som hölls vid ISSI i Bern, Schweiz, i mars 2025.

"Detta är inte bara ett nytt värde av Hubble-konstanten," noterar de, "det är en gemenskapsbyggd ram som för samman årtionden av oberoende avståndsmätningar, transparent och tillgängligt."

NSF NOIRLab bidrog med både expertis och observationsdata till detta arbete. John Blakeslee, astronom och forsknings- och vetenskapschef vid NSF NOIRLab och  medlem i samarbetet var en av de som skrev studien. Studien inkluderar data från teleskop vid NSF Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO) i Chile och NSF Kitt Peak National Observatory (KPNO) i Arizona, båda program inom NSF NOIRLab. Dessa data integrerades i en bredare, samarbetsinriktad ram som omfattar både mark- och rymdbaserade observatorier, vilket bidrog till att stärka det övergripande resultatet.

"Detta arbete utesluter i praktiken förklaringar till Hubble-spänningen som bygger på ett enda förbisett fel i lokala avståndsmätningar," avslutar författarna. "Om spänningen är verklig, som den växande mängden bevis antyder kan den peka på ny fysik bortom den vanliga kosmologiska modellen."

Konsekvenserna är betydande. Den lägre expansionshastighet som härleds från det tidiga universum beror på den standardmodellen för kosmologi vilken beskriver hur universum har utvecklats sedan Big Bang. Om den modellen är ofullständig till exempel om den inte fullt ut tar hänsyn till beteendet hos mörk energi, nya partiklar eller gravitationsförändringar skulle dess förutsägelser för dagens expansionshastighet påverkas.

I så fall är Hubble-spänningen kanske inte resultatet av mätfel, utan snarare bevis på att den nuvarande modellen av universum saknar en nyckelkomponent. Det lokala avståndsnätverket etablerar också en ram för framtida undersökningar. Genom att göra  metoder och data öppet tillgängliga har samarbetet skapat en grund som kan utökas med nya observationer. Med nästa generations observatorier som förväntas ge ännu mer precisa mätningar siktar astronomer på att avgöra om denna avvikelse slutligen kommer att lösas eller fortsätta peka mot ny fysik.

 Denna forskning presenteras i en artikel med titeln "The Local Distance Network: A community consensus report on the measurement of the Hubble constant at ∼1% precision" som publiceras i Astronomy & Astrophysics. 

Ett roterande universum löser paradoxen om expansionshastighet

 

Bild https://www.hawaii.edu  spiralgalaxen M51 finns 31 miljoner ljusår bort. (Bildkredit: NASA)

En metod som används är att använda avlägsna supernovor för att mäta avstånden till galaxer med syfte att utröna expansionshastighet för universum under de senaste miljarder åren. En andra metod i samma syfte använder relikstrålningen från Big Bang vilket ger en bild av det mycket tidiga universums expansionshastighet för cirka 13 miljarder år sedan. Var och en av dessa metoder ger skilda värden för expansionshastigheten.

István Szapudi vid University of Hawaii vid Mānoa Institute for Astronomy med team har nu utvecklat en matematisk modell av universum. För det första följer den standardreglerna. Sedan lade de till en liten mängd rotation. Den lilla förändringen gjorde stor skillnad.

– Till vår stora förvåning fann vi att vår modell med rotation av universum löser paradoxen (ovan som ger skilda resultat) utan att motsäga dagens astronomiska mätningar. Ännu bättre är att den är kompatibel med andra modeller som visar att universum roterar.

Deras modell visar att universum roterar ett varv på 500 miljarder år. Det är så långsamt att det är lätt att missa rotationen men tillräckligt fort för att påverka hur universum expanderar över tid.

Den nya teorin bryter inte mot några kända fysiska lagar. Och den kan förklara varför skilda mätningsmetoder av universums expansion inte stämmer resultatmässigt (se ovan).

Nästa steg är att omvandla teorin till en datormodell och hitta sätt att upptäcka tecken på detta långsamma kosmiska spinn.

Hittas bevis på rotation ger den nya metoden lösningen på hur universums mätresultat kan lösas och de två tidigare metodernas paradox är löst.

Studien är publicerad i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society    

Hubbles konstant kanske inte behövs för att förklara expansionen av universum.

 

Vi har vetat att universum expanderar över tid sedan 1929 då astronom Edwin Hubble gjorde mätningar som indikerade att de mest avlägsna galaxerna upptäcktes röra sig bort från jorden snabbare än de närliggande galaxerna. Men det har varit förvånansvärt svårt att fastställa den exakta siffran för hur snabbt universum expanderar just nu.

Hubblekonstanten är viktig för att förstå universums bakgrundshistoria. Det är en viktig del av vår modell av hur universum utvecklas över tid. Men nya mätningar från det kraftfulla James Webb Space Telescope tyder på att det kanske inte finns någon konflikt som "Hubblespänningen, trots allt.

I en artikel som publicerats i Astrophysical Journal nyligen har kosmolog Wendy Freedman vid University of Chicago och hennes kollegor analyserat nya data som tagits fram av NASA:s James Webb Space Telescope.Data som visar avståndet till tio närliggande galaxer vilka nu fick ett nytt värde av den hastighet utifrån hur universum expanderar just nu.

Resultatet blev 70 kilometer per sekund per megaparsek vilket överlappar den andra  metoden där Hubblekonstanten ingår. "Baserat på dessa nya JWST-data och med hjälp av tre oberoende metoder, finner vi inga starka bevis för en Hubblespännings existens", beskriver Freedman som är en välrenommerad astronom och professor i astronomi och astrofysik vid John and Marion Sullivan University vid University of Chicago.

Tvärtom ser det ut som om vår kosmologiska standardmodell för att förklara universums utveckling håller och inte har behov av Hubbles konstant. Framtida observationer med JWST kommer nu att vara avgörande för att bekräfta eller motbevisa Hubblespänningen och bedöma konsekvenserna inom kosmologin beskriver Barry Madore, medförfattare till studien vid Carnegie Institution for Science och gästlärare vid University of Chicago.

Övriga författare till artikeln var UChicago-forskaren In Sung Jang, Taylor Hoyt (PhD'22, nu vid Lawrence Berkeley National Laboratory) och UChicago-doktoranderna Kayla Owens och Abby Lee.

Bild wikipedia. Hubblediagram. Passning av Hubbles lag till rödförskjutningshastigheter. Det finns olika bestämningar av Hubblekonstanten.

Mystiken i universums expansionstakt kontrolleras åter och mystiken bli kvar.

 

Hubbleteleskopet har mätt den nuvarande expansionshastigheten av universum under 30 år. Astronomer vill nu eliminera alla kvardröjande tvivel om denna mätnings noggrannhet. Man har därför använt Webbteleskopet för att bekräfta eller förfalska Hubbles mätningar.

Den nuvarande uppmätta expansionshastigheten i universum är snabbare än vad astronomer förväntar sig att den ska vara baserat på universums initiala förhållanden och vår nuvarande förståelse av universums utveckling. Resultatet med Webbteleskopet bevisade dock  att Hubbleteleskopets mätningar var korrekta.

"När mätfel har förnekats återstår den verkliga och spännande möjligheten att vi har missförstått universum", beskriver Adam Riess, fysiker vid Johns Hopkins University i Baltimore. Riess som fick delat nobelpris i fysik 2011 för att ha varit med och upptäckt det faktum att universums expansion accelererar".

Men i hopp om att lätta på Hubbles lag spekulerade vissa forskare i okända fel i mätningen kan växa och bli synliga när vi tittar djupare in i universum. I synnerhet kan stjärnanhopning påverka mätningar av ljusstyrkan hos mer avlägsna stjärnor på ett systematiskt sätt. 

"Vi har nu spänt över hela skalan av vad Hubble observerat och vi kan utesluta mätfel som orsaken till att  Hubbles lag inte stämmer helt ", beskriver Riess.

Astronomer använder olika metoder för att mäta relativa avstånd i universum, beroende på vilket objekt som observeras. Sammantaget är dessa tekniker kända som den kosmiska avståndsstegen – varje stegpinne eller mätteknik förlitar sig på föregående steg för kalibrering.

"Att kombinera Webb och Hubble gav oss det bästa av två mätmöjligheter. Vi fann att Hubble-mätningarna förblir tillförlitliga när vi klättrar längre längs de kosmiska avståndsstegen beskriver Riess.

Hubble och Webbs ytterligare bekräftelse av Hubblespänningen fortsätter med med än mer känsliga observatorier för att möjligen lösa mysteriet. NASA:s kommande Nancy Grace romerska rymdteleskop är ett som kommer att göra omfattande himmelska kartläggningar för att studera inflytandet av mörk energi, den mystiska energi som får universums expansion att accelerera. ESA:s Euklides observatoriet, med bidrag från NASA, har en liknande uppgift.

Framtida mätningar får visa om människans teknik kan lösa gåtan eller inte.

Bild https://picryl.com/