Seberapa Cepat Alam Semesta Mengembang? Galaksi Memberikan Satu Jawaban

Teknik TRGB memperhitungkan fakta bahwa raksasa merah paling terang di galaksi memiliki kecerahan absolut yang hampir sama.

Minggu, 21 Maret 2021 | 19:02 WIB
0
49
Seberapa Cepat Alam Semesta Mengembang? Galaksi Memberikan Satu Jawaban
ilustr: Expanding universe abstract concept (stock image)

Menentukan seberapa cepat alam semesta mengembang adalah kunci untuk memahami nasib kosmik kita, tetapi dengan data yang lebih tepat telah menjadi teka-teki: Estimasi berdasarkan pengukuran dalam alam semesta lokal kita tidak sesuai dengan ekstrapolasi dari era tak lama setelah Big Bang 13,8 miliar tahun lalu.

Perkiraan baru tingkat ekspansi lokal - konstanta Hubble, atau H0 (H-nihil) - memperkuat perbedaan itu.

Dengan menggunakan teknik yang relatif baru dan berpotensi lebih tepat untuk mengukur jarak kosmik, yang menggunakan kecerahan bintang rata-rata dalam galaksi elips raksasa sebagai anak tangga pada tangga jarak, astronom menghitung kecepatan - 73,3 kilometer per detik per megaparsec, memberi atau mengambil 2,5 km / sec / Mpc - yang terletak di tengah-tengah tiga perkiraan bagus lainnya, termasuk perkiraan standar emas dari supernova Tipe Ia. Ini berarti bahwa untuk setiap megaparsec - 3,3 juta tahun cahaya, atau 3 miliar triliun kilometer - dari Bumi, alam semesta meluas 73,3 ± 2,5 kilometer per detik. Rata-rata dari ketiga teknik lainnya adalah 73,5 ± 1,4 km / detik / Mpc.

Yang membingungkan, perkiraan laju ekspansi lokal berdasarkan fluktuasi terukur dalam gelombang mikro kosmik background dan, secara independen, fluktuasi densitas materi normal di alam semesta awal (osilasi akustik baryon), memberikan jawaban yang sangat berbeda: 67,4 ± 0,5 km / detik / Mpc.

Maklum, para astronom mengkhawatirkan ketidaksesuaian ini, karena laju ekspansi merupakan parameter penting dalam memahami fisika dan evolusi alam semesta dan merupakan kunci untuk memahami energi gelap - yang mempercepat laju perluasan alam semesta dan dengan demikian menyebabkan konstanta Hubble menjadi berubah lebih cepat dari yang diharapkan dengan bertambahnya jarak dari Bumi. Energi gelap terdiri dari sekitar dua pertiga massa dan energi di alam semesta, tetapi masih menjadi misteri.

Untuk perkiraan baru, para astronom mengukur fluktuasi kecerahan permukaan 63 galaksi elips raksasa untuk menentukan jarak dan jarak plot terhadap kecepatan untuk masing-masing galaksi untuk mendapatkan H0. Teknik fluktuasi kecerahan permukaan (Surface Brightness Fluctuation/SBF) tidak bergantung pada teknik lain dan memiliki potensi untuk memberikan perkiraan jarak yang lebih tepat daripada metode lain dalam jarak sekitar 100 Mpc Bumi, atau 330 juta tahun cahaya. 63 galaksi dalam sampel berada pada jarak antara 15 hingga 99 Mpc, melihat ke masa lalu hanya sebagian kecil dari usia alam semesta.

"Untuk mengukur jarak ke galaksi hingga 100 megaparsec, ini adalah metode yang fantastis," kata kosmolog Chung-Pei Ma, Profesor Judy Chandler Webb dalam Ilmu Fisika di Universitas California, Berkeley, dan profesor astronomi dan fisika. "Ini adalah makalah pertama yang mengumpulkan kumpulan data homogen yang besar, pada 63 galaksi, untuk tujuan mempelajari H-nihil menggunakan metode SBF."

Ma memimpin survei MASSIVE galaksi lokal, yang menyediakan data untuk 43 galaksi - dua pertiga dari mereka yang digunakan dalam analisis baru.

Data 63 galaksi ini dikumpulkan dan dianalisis oleh John Blakeslee, astronom dari National Science Foundation's NOIRLab. Dia adalah penulis pertama makalah yang sekarang diterima untuk publikasi di The Astrophysical Journal yang dia tulis bersama rekan Joseph Jensen dari Universitas Utah Valley di Orem. Blakeslee, yang mengepalai staf sains yang mendukung observatorium optik dan inframerah NSF, adalah pelopor dalam menggunakan SBF untuk mengukur jarak ke galaksi, dan Jensen adalah salah satu orang pertama yang menerapkan metode ini pada panjang gelombang inframerah. Keduanya bekerja sama dengan Ma dalam analisis.

"Keseluruhan kisah astronomi adalah, dalam arti, upaya untuk memahami skala absolut alam semesta, yang kemudian memberi tahu kita tentang fisika," kata Blakeslee, mengingatkan kembali pada perjalanan James Cook ke Tahiti pada 1769 untuk mengukur transit dari Venus sehingga para ilmuwan dapat menghitung ukuran sebenarnya dari tata surya. "Metode SBF dapat diterapkan secara lebih luas pada populasi umum galaksi yang berevolusi di alam semesta lokal, dan tentunya jika kita mendapatkan cukup banyak galaksi dengan Teleskop Luar Angkasa James Webb, metode ini berpotensi memberikan pengukuran lokal terbaik dari konstanta Hubble. "

Teleskop Luar Angkasa James Webb, 100 kali lebih kuat dari Teleskop Luar Angkasa Hubble, dijadwalkan untuk diluncurkan pada bulan Oktober.

Galaksi Elips Raksasa

Konstanta Hubble telah menjadi rebutan selama beberapa dekade, sejak Edwin Hubble pertama kali mengukur laju ekspansi lokal dan menghasilkan jawaban yang tujuh kali lebih besar, menyiratkan bahwa alam semesta sebenarnya lebih muda dari bintang-bintang tertua. Masalahnya, dulu dan sekarang, terletak pada menentukan lokasi objek di ruang angkasa yang memberikan sedikit petunjuk tentang seberapa jauh mereka.

Para astronom selama bertahun-tahun telah mencapai jarak yang lebih jauh, dimulai dengan menghitung jarak ke objek yang cukup dekat sehingga mereka tampak bergerak sedikit, karena paralaks, saat Bumi mengorbit matahari. Bintang variabel yang disebut Cepheid membawa Anda lebih jauh, karena kecerahannya terkait dengan periode variabilitasnya, dan supernova Tipe Ia membuat Anda semakin jauh, karena mereka adalah ledakan yang sangat kuat yang, pada puncaknya, bersinar secerah seluruh galaksi. Untuk Cepheid dan supernova Tipe Ia, dimungkinkan untuk mengetahui kecerahan absolut dari cara mereka berubah seiring waktu, dan kemudian jarak dapat dihitung dari kecerahan semu seperti yang terlihat dari Bumi.

Perkiraan terbaik H0 saat ini berasal dari jarak yang ditentukan oleh ledakan supernova Tipe Ia di galaksi jauh, meskipun metode yang lebih baru - penundaan waktu yang disebabkan oleh lensa gravitasi quasar jauh dan kecerahan permukaan air yang mengorbit lubang hitam - semuanya memberikan angka yang sama .

Teknik yang menggunakan fluktuasi kecerahan permukaan adalah salah satu yang terbaru dan bergantung pada fakta bahwa galaksi elips raksasa sudah tua dan memiliki populasi bintang tua yang konsisten - kebanyakan bintang raksasa merah - yang dapat dimodelkan untuk memberikan kecerahan inframerah rata-rata di seluruh galaksi mereka. permukaan. Para peneliti memperoleh gambar infra merah resolusi tinggi dari setiap galaksi dengan Wide Field Camera 3 pada Teleskop Luar Angkasa Hubble dan menentukan seberapa besar perbedaan setiap piksel dalam gambar dari "rata-rata" - semakin halus fluktuasi di seluruh gambar, semakin jauh galaksi, setelah koreksi dilakukan untuk noda seperti daerah pembentukan bintang yang terang, yang dikecualikan penulis dari analisis.

Baik Blakeslee maupun Ma tidak terkejut bahwa tingkat ekspansi mendekati angka pengukuran lokal lainnya. Tetapi mereka sama-sama dibingungkan oleh konflik yang mencolok dengan perkiraan dari alam semesta awal - sebuah konflik yang menurut banyak astronom berarti bahwa teori kosmologi kita saat ini salah, atau setidaknya tidak lengkap.

Ekstrapolasi dari alam semesta awal didasarkan pada teori kosmologis paling sederhana - disebut materi gelap dingin lambda, atau? CDM - yang hanya menggunakan beberapa parameter untuk menggambarkan evolusi alam semesta. Apakah perkiraan baru mendorong saham ke jantung? CDM?

"Saya pikir itu akan mendorong lebih banyak lagi," kata Blakeslee. "Tetapi itu (? CDM) masih hidup. Beberapa orang berpikir, mengenai semua pengukuran lokal ini, (bahwa) para pengamat salah. Tapi semakin sulit untuk membuat klaim itu - itu akan membutuhkan kesalahan sistematis ke arah yang sama untuk beberapa metode berbeda: supernova, SBF, pelensaan gravitasi, pengukur air. Jadi, saat kami mendapatkan pengukuran yang lebih independen, tiang itu masuk sedikit lebih dalam. "

Ma bertanya-tanya apakah ketidakpastian para astronom yang dianggap berasal dari pengukuran mereka, yang mencerminkan kesalahan sistematis dan kesalahan statistik, terlalu optimis, dan mungkin kedua kisaran perkiraan tersebut masih dapat direkonsiliasi.

"Juri sudah keluar," katanya. "Saya pikir itu benar-benar ada di bilah kesalahan. Tetapi dengan asumsi bilah kesalahan semua orang tidak diremehkan, ketegangan semakin tidak nyaman."

Faktanya, salah satu raksasa di bidang tersebut, astronom Wendy Freedman, baru-baru ini menerbitkan sebuah penelitian yang mematok konstanta Hubble pada 69,8 ± 1,9 km / detik / Mpc, mengguncang perairan lebih jauh. Hasil terbaru dari Adam Riess, seorang astronom yang berbagi Hadiah Nobel Fisika 2011 untuk menemukan energi gelap, melaporkan 73,2 ± 1,3 km / detik / Mpc. Riess adalah Miller Postdoctoral Fellow di UC Berkeley ketika dia melakukan penelitian ini, dan dia berbagi hadiah dengan fisikawan UC Berkeley dan Berkeley Lab Saul Perlmutter.

Galaksi MASSIVE

Nilai baru H0 adalah produk sampingan dari dua survei lain dari galaksi terdekat - khususnya, survei MASSIVE Ma, yang menggunakan teleskop berbasis ruang dan darat untuk mempelajari 100 galaksi paling masif dalam jarak sekitar 100 Mpc dari Bumi. Tujuan utamanya adalah untuk menimbang lubang hitam supermasif di pusat masing-masing.

Untuk melakukan itu, dibutuhkan jarak yang tepat, dan metode SBF adalah yang terbaik hingga saat ini, katanya.

Tim survei MASSIVE menggunakan metode ini tahun lalu untuk menentukan jarak ke galaksi elips raksasa, NGC 1453, di konstelasi langit selatan Eridanus. Menggabungkan jarak itu, 166 juta tahun cahaya, dengan data spektroskopi ekstensif dari teleskop Gemini dan McDonald - yang memungkinkan mahasiswa pascasarjana Ma, Chris Liepold dan Matthew Quenneville untuk mengukur kecepatan bintang-bintang di dekat pusat galaksi - mereka menyimpulkan bahwa NGC 1453 memiliki lubang hitam pusat dengan massa hampir 3 miliar kali lipat massa Matahari.

Untuk menentukan H0, Blakeslee menghitung jarak SBF ke 43 galaksi dalam survei MASSIVE, berdasarkan 45 hingga 90 menit waktu pengamatan HST untuk setiap galaksi. 20 lainnya berasal dari survei lain yang menggunakan HST untuk mencitrakan galaksi besar, khususnya galaksi di mana supernova Tipe Ia telah terdeteksi.

Sebagian besar dari 63 galaksi berusia antara 8 dan 12 miliar tahun, yang berarti di dalamnya terdapat sejumlah besar bintang merah tua, yang merupakan kunci metode SBF dan juga dapat digunakan untuk meningkatkan ketepatan penghitungan jarak. Dalam makalah tersebut, Blakeslee menggunakan bintang variabel Cepheid dan teknik yang menggunakan bintang raksasa merah paling terang di galaksi - disebut sebagai ujung cabang raksasa merah, atau teknik TRGB - untuk naik ke galaksi pada jarak yang jauh. Mereka membuahkan hasil yang konsisten. Teknik TRGB memperhitungkan fakta bahwa raksasa merah paling terang di galaksi memiliki kecerahan absolut yang hampir sama.

"Tujuannya adalah membuat metode SBF ini benar-benar independen dari metode supernova Tipe Ia kalibrasi Cepheid dengan menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb untuk mendapatkan kalibrasi cabang raksasa merah untuk SBF," katanya.

"Teleskop James Webb berpotensi untuk benar-benar mengurangi error bar untuk SBF," Ma menambahkan. Tetapi untuk saat ini, dua ukuran sumbang dari konstanta Hubble harus belajar untuk hidup satu sama lain.

"Saya tidak berencana untuk mengukur H0; itu adalah produk yang bagus dari survei kami," katanya. "Tetapi saya seorang kosmolog dan mengamati ini dengan penuh minat."

(Materials provided by University of California - Berkeley)

***
Solo, Minggu, 21 Maret 2021. 6:33 pm
'salam damai penuh cinta'
Suko Waspodo
suka idea
antologi puisi suko