O Telescópio Espacial Webb mede a taxa de expansão do universo

Observações combinadas das câmeras NIRCam (Near Infrared Camera) da NASA e WFC3 (Wide Field Camera 3) da NASA mostram a galáxia espiral NGC 5584, a 72 milhões de anos-luz da Terra. Entre as estrelas brilhantes da NGC 5584 estão pulsares chamados variáveis ​​Cefeidas e uma supernova Tipo Ia, uma classe especial de estrelas em explosão. Os astrônomos usam variáveis ​​Cefeidas e supernovas do Tipo Ia como marcadores de distância confiáveis ​​para medir a taxa de expansão do universo. Fonte da imagem: NASA, ESA, CSA e A. Riess (STScI)

A tensão de Hubble refere-se à diferença entre a taxa de expansão observada e esperada do universo. o Telescópio Espacial James Webb Revisa medições que ele fez anteriormente telescópio espacial Hubble. Apesar do progresso, permanecem questões sobre a rápida expansão do universo e possíveis fenómenos cósmicos subjacentes.

A taxa de expansão do universo, conhecida como constante de Hubble, é um dos critérios fundamentais para a compreensão da evolução e do destino final do universo. No entanto, existe uma diferença persistente chamada “tensão de Hubble” que aparece entre o valor da constante medida por uma ampla gama de índices de distância independentes e o seu valor esperado a partir de a grande explosão crepúsculo.

NASAO Telescópio Espacial James Webb fornece novas capacidades para examinar e refinar algumas das evidências observacionais mais fortes desta tensão. O ganhador do Nobel Adam Ries, da Universidade Johns Hopkins e do Instituto de Ciências do Telescópio Espacial, apresenta o trabalho recente dele e de seus colegas usando observações de Webb para melhorar a precisão das medições locais da constante de Hubble.

O desafio da medição cosmológica

“Você já se esforçou para ver uma marca que estava no limite da sua visão? O que isso diz? O que significa? Mesmo com os telescópios mais poderosos, as ‘marcas’ que os astrônomos querem ler parecem tão pequenas que temos dificuldade , também.”

“O sinal que os cosmólogos querem ler é o sinal do limite de velocidade cósmica que nos diz quão rápido o universo está se expandindo – um número chamado constante de Hubble. Nosso sinal está escrito nas estrelas de galáxias distantes. O brilho de algumas estrelas em essas galáxias nos dizem a que distância elas estão e, portanto, quanto tempo a luz viajou.” Para chegar até nós, os desvios para o vermelho das galáxias nos dizem quanto o universo se expandiu durante esse período e, portanto, a expansão uma média.

Este gráfico mostra o poder combinado dos telescópios espaciais Hubble e Webb da NASA na determinação de distâncias precisas a uma classe especial de estrelas variáveis ​​usadas para calibrar a taxa de expansão do Universo. Estas estrelas variáveis ​​Cefeidas são vistas em campos estelares lotados. A poluição luminosa das estrelas circundantes pode tornar a medição do brilho das Cefeidas menos precisa. A visão infravermelha mais nítida de Webb permite que o alvo Cefeida seja mais claramente isolado das estrelas circundantes, como pode ser visto no lado direito do diagrama. Os dados de Webb confirmam a precisão de 30 anos de observações das Cefeidas pelo Hubble, que foram cruciais na determinação do degrau inferior da escala de distância cósmica para medir a taxa de expansão do universo. À esquerda, NGC 5584 é mostrado em uma imagem composta de Webb NIRCam (Near Infrared Camera) e Wide Field Camera 3 do Hubble. Crédito da imagem: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

“Uma classe particular de estrelas, as variáveis ​​Cefeidas, têm-nos fornecido as medições de distância mais precisas durante mais de um século porque estas estrelas são extraordinariamente brilhantes: são estrelas gigantes, com cem mil vezes a luminosidade do Sol. Além disso, pulsam (ou seja, expandem e contraem em magnitude) ao longo de um período de semanas, indicando seu brilho relativo. Quanto maior o período, mais brilhantes eles são intrinsecamente. É o instrumento padrão ouro para medir distâncias entre galáxias de cem milhões de anos-luz ou mais de distância, e é um passo crucial na determinação da constante de Hubble.Infelizmente, as estrelas nas galáxias estão agrupadas numa pequena área do nosso ponto de vista distante, por isso muitas vezes não temos a resolução para separá-las dos seus vizinhos na linha de visão.

A contribuição do Hubble e os desenvolvimentos do Webb

“A principal justificativa para a construção do Telescópio Espacial Hubble foi resolver este problema. Antes do lançamento do Hubble em 1990 e de suas subsequentes medições Cefeidas, a taxa de expansão do universo era tão incerta que os astrônomos não tinham certeza se o universo estava se expandindo em 10 bilhões ou 20 bilhões de anos. bilhões de anos. Isso ocorre porque uma taxa de expansão mais rápida levará a uma idade mais jovem do universo, e uma taxa de expansão mais lenta levará a uma idade mais avançada do universo. O Hubble tem melhor resolução de comprimento de onda visível do que qualquer telescópio terrestre porque está localizado acima dos efeitos nebulosos da atmosfera da Terra e, como resultado, pode identificar variáveis ​​Cefeidas individuais em galáxias mais distantes, a mais de cem milhões de anos-luz de distância, e medir o intervalo de tempo durante o qual seu brilho muda.

“No entanto, também devemos observar as estrelas Cefeidas na parte do infravermelho próximo do espectro para ver a luz que passa ilesa pela poeira intermediária. (A poeira absorve e espalha a luz óptica azul, fazendo com que objetos distantes pareçam fracos e nos levando a pensar eles estão mais distantes do que realmente estão.) Infelizmente, a visão da luz vermelha do Hubble não é tão nítida quanto a luz azul, então a luz das estrelas Cefeidas que vemos lá está misturada com outras estrelas em seu campo de visão. Podemos calcular a quantidade média de mistura , Estatisticamente, da mesma forma que um médico calcula seu peso subtraindo o peso médio das roupas da leitura da balança, mas isso confunde as medidas. As roupas de algumas pessoas são mais pesadas que outras.

“No entanto, a visão infravermelha nítida é um dos superpoderes do Telescópio Espacial James Webb. Com seu grande espelho e óptica sensível, ele pode separar facilmente a luz Cefeida de estrelas próximas com pouca mistura. No primeiro ano de operações de Webb com nosso programa de observação em Em 1685, coletamos observações de Cefeidas encontradas pelo Hubble em duas etapas ao longo do que é conhecido como escada de distância cósmica. A primeira etapa envolve observar Cefeidas em uma galáxia com uma distância geométrica conhecida que nos permite calibrar a verdadeira luminosidade das Cefeidas. Para nosso programa, esta galáxia é NGC 4258. A segunda etapa é observar as Cefeidas nas galáxias hospedeiras de supernovas recentes do Tipo Ia. A combinação das duas primeiras etapas transfere o conhecimento da distância até as supernovas para calibrar seu verdadeiro brilho. A terceira etapa é observe aquelas supernovas distantes onde a expansão do universo é evidente e pode ser medida comparando distâncias inferidas a partir dos brilhos e desvios para o vermelho das galáxias hospedeiras de supernovas. Esta sequência de degraus é conhecida como escada de distância.

“Recentemente, obtivemos as primeiras medições de Webb nas etapas 1 e 2, permitindo-nos completar a escada de distância e compará-las com medições anteriores usando o Hubble (veja a figura). As medições de Webb reduziram significativamente o ruído nas medições de Cefeidas devido à precisão do observatório próximo -infravermelho. Esse tipo de melhoria é o que os astrônomos sonham! Observamos mais de 320 estrelas cefeidas durante as duas primeiras etapas. Confirmamos que as medições anteriores do Telescópio Espacial Hubble eram precisas, embora mais barulhentas. Também observamos quatro hospedeiros de supernovas usando Webb, vimos um resultado semelhante para toda a amostra.

Compare as relações entre o período Cefeida e a luminosidade usada para medir distâncias. Os pontos vermelhos são do Webb da NASA, e os pontos cinzas são do Hubble da NASA. O painel superior é dedicado a NGC 5584, o hospedeiro da supernova tipo Ia, com uma inserção mostrando imagens da mesma Cefeida vista por cada telescópio. O painel inferior é para NGC 4258, uma galáxia com uma distância geométrica conhecida, com a inserção mostrando a diferença nos coeficientes de distância entre NGC 5584 e NGC 4258 medidos usando cada telescópio. Os dois telescópios estão em excelente acordo. Crédito da imagem: NASA, ESA, A. Riess (STScI) e G. Anand(STScI)

O mistério contínuo da tensão do Hubble

“O que os resultados ainda não explicaram é porque é que o Universo se está a expandir tão rapidamente! Podemos orgulho A taxa de expansão do universo observando sua imagem nascente Fundo cósmico de microondas, então usamos nosso melhor modelo de como ele cresce ao longo do tempo para nos dizer com que rapidez o universo deveria estar se expandindo hoje. O facto de a actual medida da taxa de expansão estar a exceder dramaticamente as expectativas é um problema que dura há uma década chamado “jitter de Hubble”. A possibilidade mais interessante é que o estresse seja uma evidência de algo que perdemos em nossa compreensão do universo.

“Isso pode indicar a presença de energia escura exótica, matéria escura exótica, uma revisão da nossa compreensão da gravidade ou a existência de uma partícula ou campo único. A explicação mais simples é que vários erros de medição conspiram na mesma direção (os astrônomos descartou um erro usando etapas independentes), é por isso que é tão importante repetir as medições com mais precisão. Com a confirmação de Webb das medições de Hubble, as medições de Webb fornecem a evidência mais forte até agora de que erros sistemáticos na fotometria Cefeida de Hubble não desempenham um papel significativo na fotometria Cefeida de Hubble. nervosismo atual. Como resultado, o interesse mais provável está sobre a mesa e o tenso mistério se aprofunda.

Esta postagem destaca dados de A papel O que foi aceito antes Jornal Astrofísico.

Referência: “Chega de aglomeração: Precisão da constante de Hubble testada por observações de alta resolução de objetos Cefeidas com o Telescópio Espacial James Webb” por Adam J. Rees, Gagandeep S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Proval, Dan Skolnick, Marshall Perrin e Richard I. Anderson, aceitaram, Jornal Astrofísico.
arXiv:2307.15806

Autor: Adam Ries é o ilustre professor Bloomberg da Universidade Johns Hopkins, o professor Thomas G. Barber de estudos espaciais na JHU Krieger School of Arts and Sciences, um ilustre astrônomo do Space Telescope Science Institute e ganhador do Nobel de 2011. Prêmio em Física.