سه دهه رصد تلسکوپ فضایی بر روی یک مقدار دقیق برای ثابت هابل همگرا می شود و اتفاق عجیبی مشاهده می شود.

19 مه 2022 -توسط مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا

این مجموعه 36 تصویری از تلسکوپ فضایی هابل ناسا، کهکشان هایی را نشان می دهد که همگی میزبان متغیرهای قیفاووسی و ابرنواخترها هستند. این دو پدیده آسمانی هر دو ابزار مهمی هستند که توسط ستاره شناسان برای تعیین فاصله نجومی استفاده می شود، و برای اصلاح اندازه گیری ثابت هابل، یعنی نرخ انبساط جهان، استفاده شده است.

تلسکوپ فضایی هابل ناسا با تکمیل یک ماراتن تقریباً 30 ساله، بیش از 40 «نشانگر پست مایلی» فضا و زمان را کالیبره کرده است تا به دانشمندان کمک کند نرخ انبساط کیهان را دقیقاً اندازه‌گیری کنند.

پیگیری نرخ انبساط کیهان در دهه 1920 با اندازه گیری های ستاره شناسان ادوین پی. هابل و ژرژ لمائیتر آغاز شد. در سال 1998، این منجر به کشف “انرژی تاریک” شد، یک نیروی دافعه اسرارآمیز که انبساط جهان را سرعت می بخشد. در سال‌های اخیر، به لطف داده‌های هابل و سایر تلسکوپ‌ها، اخترشناسان به موضوع دیگری پی بردند: اختلاف بین نرخ انبساط اندازه‌گیری شده در جهان محلی در مقایسه با مشاهدات مستقل درست پس از انفجار بزرگ، که مقدار انبساط متفاوتی را پیش‌بینی می‌کنند.

علت این اختلاف همچنان یک راز باقی مانده است. اما داده‌های هابل، شامل انواع مختلفی از اجرام کیهانی که به عنوان نشانگر فاصله عمل می‌کنند، از این ایده حمایت می‌کند که اتفاق عجیبی در حال وقوع است که احتمالاً شامل فیزیک کاملاً جدید است.

آدام ریس، برنده جایزه نوبل از موسسه علمی تلسکوپ فضایی (STScI) و دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور، مریلند، گفت: “شما دقیق ترین اندازه گیری نرخ انبساط جهان را از استاندارد طلایی تلسکوپ ها و نشانگرهای مایل کیهانی دریافت می کنید.” .

ریس رهبری یک همکاری علمی را برای بررسی نرخ انبساط جهان به نام SHOES انجام می دهد که مخفف ابرنواختر، H0، معادله حالت انرژی تاریک است. ریس گفت: “این کاری است که تلسکوپ فضایی هابل برای انجام آن ساخته شده است، با استفاده از بهترین تکنیک هایی که برای انجام آن می دانیم. این احتمالاً کار بزرگ هابل است، زیرا 30 سال دیگر از عمر هابل طول می کشد تا این حجم نمونه حتی دو برابر شود .

مقاله تیم ریس که قرار است در شماره  ویژه ژورنال Astrophysical منتشر شود، در مورد تکمیل بزرگترین و احتمالا آخرین به روز رسانی اصلی ثابت هابل گزارش می دهد. نتایج جدید بیش از دو برابر نمونه قبلی نشانگرهای فاصله کیهانی است. تیم او همچنین تمام داده های قبلی را مجدداً تجزیه و تحلیل کرد و کل مجموعه داده اکنون شامل بیش از 1000 مدار هابل است.

هنگامی که ناسا یک تلسکوپ فضایی بزرگ را در دهه 1970 تصور کرد، یکی از توجیهات اولیه برای هزینه و تلاش فنی خارق‌العاده این بود که بتواند قیفاووس‌ها را شناسایی کند، ستارگانی که به صورت دوره‌ای درخشان و کم‌نور می‌شوند و در کهکشان راه شیری ما و کهکشان‌های خارجی دیده می‌شوند. قیفاووسها از زمانی که کاربرد آنها توسط ستاره شناس هنریتا سوان لیویت در سال 1912 کشف شد، مدتهاست استاندارد طلایی نشانگرهای مایل کیهانی بوده است.

این اجرام با هم، یک «نردبان فاصله کیهانی» در سراسر جهان ایجاد کردند و برای اندازه‌گیری نرخ انبساط جهان ضروری هستند که ثابت هابل به نام ادوین هابل نامیده می‌شود. این مقدار برای تخمین سن جهان حیاتی است و یک آزمون اساسی برای درک ما از جهان ارائه می دهد.

درست پس از پرتاب هابل در سال 1990، اولین مجموعه از مشاهدات ستاره های قیفاووس برای اصلاح ثابت هابل توسط دو تیم انجام شد: پروژه کلید HST به رهبری وندی فریدمن، رابرت کنیکات و جرمی مولد، مارک آرونسون و دیگری توسط آلن سندیج و همکاران، که از Cepheids به عنوان نشانگرهای نقطه عطف برای اصلاح اندازه گیری فاصله تا کهکشان های نزدیک استفاده کردند. در اوایل دهه 2000، تیم ها با رسیدن به دقت 10 درصد برای ثابت هابل، 72 مثبت یا منفی 8 کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک، “ماموریت انجام شده” را اعلام کردند.

در سال 2005 و بار دیگر در سال 2009، افزودن دوربین‌های جدید قدرتمند روی تلسکوپ هابل، «نسل 2» از تحقیقات ثابت هابل را راه‌اندازی کرد، زیرا تیم‌ها تصمیم گرفتند مقدار را به دقت تنها یک درصد اصلاح کنند. این برنامه توسط برنامه SHOES افتتاح شد. چندین تیم از ستاره شناسانی که از هابل استفاده می کنند، از جمله SHOES، روی مقدار ثابت هابل 73 مثبت یا منفی 1 کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک همگرا شده اند. در حالی که روش های دیگری برای بررسی سوال ثابت هابل استفاده شده است، تیم های مختلف این کار را انجام داده اند

“ثابت هابل یک عدد بسیار ویژه است. می توان از آن برای کشیدن یک سوزن از گذشته تا امروز برای آزمایش سرتاسر درک ما از کیهان استفاده کرد. این کار به مقدار خارق العاده ای از جزئیات نیاز داشت.” دکتر Licia Verde، کیهان شناس در ICREA و ICC-University of Barcelona، در مورد کار تیم SHOES صحبت می کند.

این تیم 42 مورد از نشانگرهای پست ابرنواختر را با هابل اندازه گیری کردند. از آنجایی که هابل با سرعت یک بار در سال تکرار می شود، برای تمام اهداف عملی، تا آنجا که ممکن است ابرنواخترها را برای اندازه گیری انبساط جهان ثبت کرده است. ریس گفت: “ما نمونه کاملی از تمام ابرنواخترهای قابل دسترسی تلسکوپ هابل در 40 سال گذشته داریم.”

فیزیک عجیب؟

پیش‌بینی می‌شد که سرعت انبساط کیهان کمتر از چیزی باشد که هابل می‌بیند. ستاره شناسان با ترکیب مدل استاندارد کیهان شناسی کیهان و اندازه گیری های ماموریت پلانک آژانس فضایی اروپا (که پس زمینه مایکروویو کیهانی را از 13.8 میلیارد سال پیش مشاهده کرد)، اخترشناسان مقدار کمتری را برای ثابت هابل پیش بینی کردند: 67.5 مثبت یا منفی 0.5 کیلومتر در هر ثانیه در هر مگاپارسک، در مقایسه با برآورد تیم SHOES از 73.

ریس گفت که با توجه به حجم نمونه بزرگ هابل، تنها یک در میلیون شانس وجود دارد که ستاره شناسان به دلیل بدشانسی اشتباه کنند. این یافته چیزی را که در حال تبدیل شدن به تصویری زیبا و مرتب از تکامل دینامیکی جهان بود، باز می کند. اخترشناسان در توضیح عدم ارتباط بین نرخ انبساط جهان محلی در مقابل جهان اولیه از دست داده اند، اما پاسخ ممکن است شامل فیزیک اضافی جهان باشد.

چنین یافته های گیج کننده ای زندگی را برای کیهان شناسانی مانند ریس هیجان انگیزتر کرده است. سی سال پیش آنها شروع به اندازه‌گیری ثابت هابل برای محک زدن جهان کردند، اما اکنون به چیزی جالب‌تر تبدیل شده است. ریس افزود: «در واقع، من اهمیتی نمی‌دهم که ارزش انبساط به طور خاص چیست، اما دوست دارم از آن برای یادگیری در مورد جهان استفاده کنم.

تلسکوپ فضایی وب جدید ناسا با نشان دادن این نشانگرهای پست مایل کیهانی در فواصل بیشتر یا وضوح واضح تر از آنچه هابل می تواند ببیند، کار هابل را گسترش خواهد داد.