Eines der größten kosmischen Geheimnisse unserer Zeit betrifft die Expansion des Universums.
Während der ersten Milliarde Jahre der Geschichte unseres Universums verlangsamt sich die Expansionsrate des Universums und entfernte Galaxien stagnieren ab unserem Zeitalter, da die Dichte von Materie und Strahlung abnimmt. Allerdings hat sich in den letzten 6 Milliarden Jahren die Stagnation entfernter Galaxien beschleunigt, und die Expansionsrate geht zwar weiter zurück, geht aber nicht gegen Null. Zwei unterschiedliche Methoden zur Messung der Expansionsrate liefern widersprüchliche Werte. Die tatsächliche Expansionsrate bleibt umstritten.
Zwei Hauptmethoden liefern jeweils Antworten mit geringen Fehlern, sind jedoch nicht kompatibel.
Das JWST der NASA führt uns über die Grenzen aller bisherigen Observatorien hinaus, einschließlich aller bodengestützten Teleskope auf der Erde sowie Hubble, und zeigt uns die am weitesten entfernten Galaxien, die jemals im Universum entdeckt wurden. Wenn wir die 3D-Positionen der beobachteten und gemessenen Galaxien angemessen kartieren, können wir einen visuellen Vorbeiflug durch das Universum erstellen, wie es uns CEERS-Daten von JWST hier ermöglichen. Die Messung der Expansionsrate ist eine Herausforderung, da unterschiedliche Methoden zu unterschiedlichen und miteinander inkompatiblen Ergebnissen führen.
Indem wir die Entwicklung eines frühen Reliktsignals verfolgen, messen wir eine Ausdehnung von 67 km/s/m².
Wir können zufällig in das Universum zurückblicken, wenn unsere Teleskope dies zulassen, und der Galaxienhaufen muss eine bestimmte Entfernungsskala – die akustische Skala – aufweisen, die sich mit der Zeit auf eine bestimmte Weise entwickeln muss, genau wie die akustischen „Höhepunkte und Täler“ im Universum Der kosmische Mikrowellenhintergrund zeigt dies. Maßstab auch. Die Entwicklung dieser Skala im Laufe der Zeit ist ein frühes Überbleibsel, das eine geringe Expansionsrate von etwa 67 km/s/Million Blöcke zeigt.
Wenn wir in der Nähe beginnen und bemerken, dass der Durchhang mit zunehmender Entfernung zunimmt, messen wir 73 km/s/m pro Quadratmeter.
Der Aufbau der kosmischen Distanzleiter erfordert den Übergang von unserem Sonnensystem zu Sternen, zu nahegelegenen Galaxien und zu entfernten Galaxien. Jede „Stufe“ birgt ihre eigenen Unsicherheiten, insbesondere die Sprossen, an denen die verschiedenen „Läufe“ der Leiter miteinander verbunden sind. Die jüngsten Verbesserungen auf der Distanzleiter haben jedoch gezeigt, wie stark seine Ergebnisse sein können.
Diese Diskrepanz – die „Hubble-Spannung“ – ist ein neues kosmisches Rätsel.
Aktuelle Messspannungen von der Distanzleiter (rot) mit frühen Signaldaten von CMB und BAO (blau) als Kontrast. Es ist plausibel, dass die Frühzeichenmethode richtig ist und es einen grundlegenden Fehler in der Distanzleiter gibt; Es ist plausibel, dass es einen kleinen Fehler gibt, der die Methode des frühen Vorzeichens verzerrt und die Entfernungsskala korrekt ist, oder dass beide Gruppen korrekt sind und irgendeine Form der neuen Physik (siehe oben) der Schuldige ist. Die Idee, dass es eine frühe Form dunkler Energie gab, ist interessant, aber das bedeutet, dass es in der Frühzeit mehr dunkle Energie gab und diese seitdem (größtenteils) ausgestorben ist.
Viele gehen davon aus, dass ein Notenfehler auf der „Distanzleiter“-Seite dafür verantwortlich ist.
Im Jahr 2001 gab es viele verschiedene Fehlerquellen, die die besten Distanzleitermessungen der Hubble-Konstante, der Expansion des Universums, auf deutlich höhere oder niedrigere Werte verzerren konnten. Dank der fleißigen und sorgfältigen Arbeit vieler ist dies nicht mehr möglich, da Fehler stark reduziert wurden. Neue JWST-Arbeiten, die hier nicht gezeigt werden, haben Fehler im Zusammenhang mit Cepheid- und Perioden-Leuchtkraftfehlern weiter reduziert als hier gezeigt.
Wir beginnen mit der Beobachtung veränderlicher Cepheid-Sterne in der Milchstraße.
Der veränderliche Stern RS Puppis, dessen Lichtechos durch interstellare Wolken scheinen. Veränderliche Sterne gibt es in vielen Varianten. Eine davon, die Cepheid-Variablen, kann sowohl innerhalb unserer Galaxie als auch in bis zu 50-60 Millionen Lichtjahren entfernten Galaxien gemessen werden. Dadurch können wir Entfernungen von unserer Galaxie zu entfernten Galaxien im Universum extrapolieren. RR Lyrae- und AGB-Zweigsterne können auf ähnliche Weise verwendet werden.
Wir schließen ihre genauen Abstände durch Parallaxe ab.
Die erdnächsten Sterne scheinen sich zyklisch im Verhältnis zu den weiter entfernten Sternen zu bewegen, während sich die Erde auf einer Umlaufbahn um die Sonne durch den Weltraum bewegt. Bevor wir das heliozentrische Modell erstellten, suchten wir nicht nach „Verschiebungen“ mit einer Basislinie von etwa 300.000.000 km über etwa sechs Monate, sondern nach einer Basislinie von etwa 12.000 km über eine Nacht: dem Durchmesser der Erde, wenn sie sich um ihre Achse dreht. Die Entfernungen zu den Sternen waren so groß, dass die erste Sicht mit einer Basislinie von 300 Millionen km erst in den 1830er Jahren entdeckt wurde. Heute haben wir mit der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation die Parallaxe von mehr als einer Milliarde Sternen gemessen.
Dann messen wir Cepheiden in gut vermessenen nahegelegenen Galaxien.
Die oberen beiden Tafeln zeigen zwei nahegelegene, ahornreiche Galaxien: NGC 4258 (links) und NGC 5584 (rechts), darüber ist das Sichtfeld von JWST hinzugefügt. Die unteren Felder zeigen JWST-Renderings, wobei in jedem Bild einzeln ausgewählte Cepheid-Varianten hervorgehoben sind.
Schließlich messen wir Supernovae vom Typ Ia sowohl innerhalb als auch außerhalb dieser Galaxien und setzen diese kosmischen „Grade“ miteinander in Beziehung.
Noch im Jahr 2019 gab es nur 19 veröffentlichte Galaxien, deren Entfernungen durch veränderliche Cepheidensterne gemessen wurden, in denen auch Supernovae vom Typ Ia beobachtet wurden. Wir verfügen jetzt über Entfernungsmessungen von einzelnen Sternen in Galaxien, die auch mindestens eine Typ-Ia-Supernova in 42 Galaxien beherbergten, von denen 35 hervorragende Bilder von Hubble haben. Diese 35 Galaxien werden hier gezeigt.
Könnte der Fehler bei den Cepheiden unsere gemessene Expansionsrate beeinflussen?
Die Verwendung der kosmischen Distanzleiter bedeutet, verschiedene kosmische Skalen zusammenzusetzen, da man sich immer Sorgen über die Unsicherheit macht, wo die verschiedenen „Läufe“ der Leiter miteinander verbunden sind. Wie hier gezeigt, haben wir jetzt mindestens drei „Absätze“ auf dieser Leiter zurückgelegt, und die gesamten Messungen stimmen erstaunlich gut überein.
von Cepheiden in nahegelegenen Galaxien gemessenJWST untersucht diese Möglichkeit.
Diese nahe gelegene Spiralgalaxie, NGC 4258 (auch bekannt als Messier 106), ist etwa 20 Millionen Lichtjahre entfernt, enthält aber viele bekannte Cepheiden, die den Cepheiden in der Milchstraße ähneln. Dies ist eine wichtige Galaxie zur Kalibrierung der kosmischen Entfernungsskala.
Galaxieuhr NGC 4258JWST fand keine optische Verzerrung für Algivides.
Dieses Bild zeigt viele veränderliche Sterne der Cepheiden verschiedener Perioden in der nahegelegenen Galaxie NGC 4258: eine wichtige Galaxie für die Kalibrierung und Entfernung der Cepheiden. Die unteren sechs Reihen zeigen dieselben Sterne, gemessen sowohl von Hubble (graue Markierungen) als auch von JWST (violette Markierungen) bei unterschiedlichen Wellenlängen. Die überlegene Auflösung in den JWST-Bildern reduziert frühere Hubble-Fehler um ein Vielfaches und validiert gleichzeitig frühere Ergebnisse und bleibt mit diesen konsistent.
Stattdessen bestätigte und untermauerte es frühere Ergebnisse des Hubble-Weltraumteleskops.
Dieses zusammengesetzte Bild zeigt die Balkenspiralgalaxie NGC 5584 mit der hellen Supernova SN 2007af darin. Nahe gelegene Galaxien mit identifizierbaren veränderlichen Cepheidensternen, die mindestens eine Supernova vom Typ Ia in sich beherbergt haben, sind für die kosmologische Distanzleitermethode zur Messung des expandierenden Universums äußerst wichtig.
Cepheiden in NGC 5584was sie auch hatte A (Epoche 2007) eine Supernova vom Typ Iawas auch keine Voreingenommenheit erkennen lässt.
Diese Grafik zeigt die Beziehung zwischen der Helligkeit veränderlicher Sterne der Cepheiden (y-Achse) und ihrer Veränderungsperiode (x-Achse) in den Galaxien NGC 5584 (oben) und NGC 4258 (unten). Neue JWST-Daten werden in Rot angezeigt, während alte Hubble-Daten in Grau angezeigt werden. Die Fehler und Unsicherheiten dieser Beziehung in beiden Galaxien wurden stark reduziert, hauptsächlich aufgrund der besseren Auflösung von JWST gegenüber der von Hubble.
Die Glanzbeziehungszeitraumdas wichtigste Kalibrierungstool für die Chronologie, ist jetzt genauer als je zuvor.
Indem das JWST ein besseres Verständnis der Cepheid-Variablen in den nahegelegenen Galaxien NGC 4258 und NGC 5584 ermöglichte, hat es die Unsicherheit in ihren Entfernungen noch weiter reduziert. Die niedrigsten Punkte in der Grafik zeigen eine Schätzung der Entfernung zu NGC 5584 anhand der aus der Entfernungsskala abgeleiteten Expansionsraten (linke Seite) und der Erwartungen aus der Methode der frühen Überreste (rechte Seite). Die Diskrepanz ist groß und überzeugend.
Dank seiner überlegenen Genauigkeit hat JWST alle Unsicherheiten auf ihre absolut kleinsten Werte reduziert.
Standardkerzen (links) und Standardlineale (rechts) sind zwei verschiedene Methoden, mit denen Astronomen die Ausdehnung des Weltraums zu unterschiedlichen Zeiten/Entfernungen in der Vergangenheit messen. Basierend darauf, wie sich Größen wie Leuchtkraft oder Winkelgröße mit der Entfernung ändern, können wir auf die Expansionsgeschichte des Universums schließen. Die Verwendung der Kerzenmethode ist Teil der Distanzleiter und ergibt 73 km/s/Million Blöcke. Die Verwendung eines Lineals ist Teil der Frühanzeigemethode und ergibt 67 km/s/Mpc. Mit den neuen JWST-Daten hat sich das Rätsel um die Expansionsrate des Universums noch weiter vertieft.
Mostly Mute Monday erzählt eine astronomische Geschichte mit Bildern und Bildern und nicht mehr als 200 Wörtern.
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