Navnet “mørk energi” er bare en plassholder for styrken - uansett hva den er - som får universet til å utvide seg. Nye observasjoner av flere Cepheid-variable stjerner med Hubble-romteleskopet har foredlet målingen av universets nåværende ekspansjonsgrad til en presisjon hvor feilen er mindre enn fem prosent. Den nye verdien for utvidelsesgraden, kjent som Hubble-konstanten, eller H0 (etter Edwin Hubble som først målte utvidelsen av universet for nesten et århundre siden), er 74,2 kilometer per sekund per megaparsek (feilmargin på ± 3,6). Resultatene stemmer godt overens med en tidligere måling hentet fra Hubble på 72 ± 8 km / sek / megaparsek, men er nå mer enn dobbelt så presis.
Hubble-målingen, utført av SHOES (Supernova H0 for Equation of State) -teamet og ledet av Adam Riess, fra Space Telescope Science Institute og Johns Hopkins University, bruker en rekke forbedringer for å effektivisere og styrke konstruksjonen av et kosmisk "Avstandsstige", en milliard lysår i lengden, som astronomer bruker for å bestemme universets ekspansjonshastighet.
Hubble-observasjoner av de pulserende Cepheid-variablene i en nærliggende kosmisk milemarkør, galaksen NGC 4258, og i vertsgalaksen til nylige supernovaer, kobler direkte disse avstandsindikatorene. Bruken av Hubble for å bygge bro mellom disse trinnene i stigen eliminerte de systematiske feilene som nesten uunngåelig er introdusert ved å sammenligne målinger fra forskjellige teleskoper.
Riess forklarer den nye teknikken: "Det er som å måle en bygning med et langt målebånd i stedet for å flytte en hage-pinne ende over ende. Du unngår å sammensette de små feilene du gjør hver gang du flytter målestokken. Jo høyere bygning, desto større er feilen. ”
Lucas Macri, professor i fysikk og astronomi ved Texas A&M, og en betydelig bidragsyter til resultatene, sa: “Cepheids er ryggraden i avstandsstigen fordi deres pulsasjonsperioder, som lett kan observeres, korrelerer direkte med lysstyrken deres. En annen foredling av stigen vår er det faktum at vi har observert Cepheidene i de nærinfrarøde delene av det elektromagnetiske spekteret der disse variable stjernene er bedre avstandsindikatorer enn ved optiske bølgelengder. "
Denne nye, mer presise verdien av Hubble-konstanten ble brukt til å teste og begrense egenskapene til mørk energi, formen for energi som produserer en frastøtende kraft i verdensrommet, noe som fører til at ekspansjonshastigheten til universet akselererer.
Ved å feste universets ekspansjonshistorie mellom i dag og da universet bare var omtrent 380 000 år gammelt, klarte astronomene å sette grenser for naturen til den mørke energien som får ekspansjonen til å øke hastigheten. (Målingen for det fjerne, tidlige universet er avledet fra svingninger i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, slik den ble løst av NASAs Wilkinson Microbysnovy Anisotropy Probe, WMAP, i 2003.)
Resultatet deres stemmer overens med den enkleste tolkningen av mørk energi: at den er matematisk ekvivalent med Albert Einsteins hypoteserte kosmologiske konstant, introdusert for et århundre siden for å presse på stoffets rom og forhindre at universet kollapser under tyngdekraften. (Einstein fjernet imidlertid konstanten når utvidelsen av universet ble oppdaget av Edwin Hubble.)
"Hvis du legger i en boks på alle måter som mørk energi kan avvike fra den kosmologiske konstanten, vil boksen nå være tre ganger mindre," sier Riess. "Det er fremgang, men vi har fremdeles en lang vei å gå for å få tak i naturen til mørk energi."
Selv om den kosmologiske konstanten ble unnfanget for lenge siden, kom observasjonsbevis for mørk energi ikke før for 11 år siden, da to studier, den ene ledet av Riess og Brian Schmidt fra Mount Stromlo Observatory, og den andre av Saul Perlmutter fra Lawrence Berkeley National Laboratory, oppdaget mørk energi uavhengig, delvis med Hubble-observasjoner. Siden den gang har astronomer fulgt observasjoner for å bedre karakterisere mørk energi.
Rieses tilnærming til å begrense alternative forklaringer på mørk energi - enten det er en statisk kosmologisk konstant eller et dynamisk felt (som den frastøtende kraft som drev inflasjonen etter big bang) - er for å avgrense målingene av universets ekspansjonshistorie.
Før Hubble ble lansert i 1990, varierte estimatene for Hubble-konstanten med en faktor på to. På slutten av 1990-tallet foredlet Hubble Space Telescope Key Project på den ekstragalaktiske avstandsskala verdien av Hubble-konstanten til en feil på bare rundt ti prosent. Dette ble oppnådd ved å observere Cepheid-variabler med optiske bølgelengder ut til større avstander enn tidligere oppnådd og sammenligne dem med lignende målinger fra bakkebaserte teleskoper.
SHOES-teamet brukte Hubbles Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) og Advanced Camera for Surveys (ACS) for å observere 240 Cepheid-variable stjerner over syv galakser. En av disse galaksene var NGC 4258, hvis avstand ble veldig nøyaktig bestemt gjennom observasjoner med radioteleskoper. De andre seks galaksene var nylig vertskap for Type Ia-supernovaer som er pålitelige avstandsindikatorer for enda lengre målinger i universet. Type Ia-supernovaer eksploderer med nesten samme mengde energi og har derfor nesten den samme indre lysstyrken.
Ved å observere Cepheids med veldig like egenskaper ved nesten-infrarøde bølgelengder i alle syv galakser, og ved hjelp av det samme teleskopet og instrumentet, var teamet i stand til mer nøyaktig å kalibrere supernovaenes lysstyrke. Med Hubbles kraftige evner, var teamet i stand til å fjerne noen av de rysteste trinnene langs den forrige distansestigen som involverte usikkerhet i oppførselen til Cepheids.
Riess vil til slutt gjerne se Hubble-konstanten foredlet til en verdi med en feil på ikke mer enn en prosent, for å sette enda strammere begrensninger på løsninger på mørk energi.
Kilde: Space Telescope Science Institute
