בשנות העשרים של המאה העשרים עשה אדווין האבל את הגילוי פורץ הדרך כי היקום נמצא במצב של התפשטות. אישור זה, שנחזה במקור כתוצאה מתורת היחסות הכללית של איינשטיין, הוביל למה שנודע בכינויו קבוע של האבל. בעשורים המבטיחים, ובזכות פריסת הטלסקופים מהדור הבא - כמו טלסקופ החלל האבל (HST), נאלצו המדענים לשנות את החוק הזה.
בקצרה, בעשורים האחרונים היכולת לראות רחוק יותר לחלל (ועמוק יותר בזמן) אפשרה לאסטרונומים לבצע מדדים מדויקים יותר באשר למהירות התרחבות היקום הקדום. והודות לסקר חדש שנערך באמצעות האבל, צוות בינלאומי של אסטרונומים הצליח לבצע את המדידות המדויקות ביותר של קצב ההתפשטות של היקום עד כה.
סקר זה נערך על ידי צוות Supernova H0 לשוואת המדינה (SH0ES), קבוצה בינלאומית של אסטרונומים שנמצאת במסע לחידוד הדיוק של קבוע האבל מאז 2005. הקבוצה מובלת על ידי אדם רייס מהחלל המכון למדעי הטלסקופ (STScI) ואוניברסיטת ג'ונס הופקינס, וכולל חברים מהמוזיאון האמריקני להיסטוריה טבעית, מכון נילס בוהר, מצפה הכוכבים הלאומי לאסטרונומיה אופטית, ומוסדות מחקר יוקרתיים רבים.
המחקר המתאר את ממצאיו הופיע לאחרונה ב- כתב העת האסטרופיזי תחת הכותרת "מרחק בין סופרנובה סוג Ia לרכב האדום> 1.5 מה- טלסקופ החלל האבל תוכניות אוצר רב-מחזוריות: שיעור ההרחבה המוקדם “. לצורך לימודם, ובהתאם למטרותיהם לטווח הארוך, הצוות ביקש לבנות "סולם מרחק" חדש ומדויק יותר.
כלי זה הוא כיצד אסטרונומים מדדו באופן מסורתי מרחקים ביקום, המורכב מהסתמכות על סמני מרחק כמו משתני Cepheid - כוכבים פועמים שניתן להסיק על המרחקים שלהם על ידי השוואה בין הבהירות המהותית שלהם לבין הבהירות לכאורה שלהם. לאחר מכן משווים מדידות אלה לאופן שבו האור מגלקסיות המרחק מועבר מחדש בכדי לקבוע כמה מהר המרחב בין הגלקסיות מתרחב.
מכאן נגזר קבוע האבל. כדי לבנות את הסולם הרחוק שלהם, ביצעו ריס וצוותו מדידות פרלקס באמצעות המצלמה הרחבה 3 של האבל (WFC3) של שמונה כוכבי משתנה של קפידה שניתחו לאחרונה בנתיב החלב. הכוכבים הללו רחוקים פי עשרה מכפי שנבדק בעבר - בין 6,000 ל 12,000 שנות אור מכדור הארץ - ופועמים במרווחים ארוכים יותר.
כדי להבטיח דיוק שיכול להסביר את הנדנדות של הכוכבים הללו, הצוות פיתח גם שיטה חדשה בה האבל היה מודד את מיקום הכוכב אלף פעם בדקה בכל חצי שנה במשך ארבע שנים. לאחר מכן השווה הצוות את בהירות שמונת הכוכבים הללו עם קפידים רחוקים יותר כדי להבטיח שהם יכולים לחשב את המרחקים לגלקסיות אחרות ביתר דיוק.
באמצעות הטכניקה החדשה, האבל הצליח לתפוס את שינוי המיקום של הכוכבים הללו יחסית לאחרים, מה שפשט את הדברים בצורה אדירה. כפי שהסביר ריס בהודעה לעיתונות של נאס"א:
"שיטה זו מאפשרת הזדמנויות חוזרות ונשנות למדידת העקירות הזעירות ביותר בגלל parallax. אתה מודד את ההפרדה בין שני כוכבים, לא רק במקום אחד במצלמה, אלא שוב ושוב אלפי פעמים, ומפחית את שגיאות המדידה. "
בהשוואה לסקרים קודמים הצליח הצוות להרחיב את מספר הכוכבים שניתחו למרחקים עד פי עשרה. עם זאת, תוצאותיהם סתרו גם את אלה שהושגו על ידי הלוויין פלאנק של סוכנות החלל האירופית (ESA), שמדד את הרקע הקוסמי של מיקרוגל (CMB) - קרינת השאריות שנוצרה על ידי המפץ הגדול - מאז שנפרס בשנת 2009.
באמצעות מיפוי ה- CMB, פלאנק הצליח להתחקות אחר התפשטות הקוסמוס במהלך היקום הקדום. 378,000 שנה אחרי המפץ הגדול. התוצאה של פלאנק ניבאה כי הערך הקבוע של האבל צריך להיות כעת 67 קמ"ש לשנייה למגה-פארסק"ק (3.3 מיליון שנות אור), ויכול להיות שאינו גבוה מ -69 קמ"ש לשנייה למגה-פארק"ס.
בהתבסס על ההשתתפות שלהם, הצוות של רייס השיג ערך של 73 קמ"ש לשנייה למגה-פארק, אי התאמה של 9%. בעיקרו של דבר, תוצאותיהם מצביעות על כך שגלקסיות נעות בקצב מהיר יותר מזה שמרמז על ידי תצפיות היקום הקדום. מכיוון שנתוני האבל היו כה מדויקים, אסטרונומים אינם יכולים לפטור את הפער בין שתי התוצאות כטעויות בכל מדידה או שיטה יחידה. כפי שהסביר רייס:
"הקהילה מתמודדת ממש עם הבנת המשמעות של אי התאמה זו ... שתי התוצאות נבדקו במספר דרכים, כך שחוסרות סדרה של טעויות לא קשורות. יותר ויותר סביר שזה לא באג אלא תכונה של היקום. "
התוצאות האחרונות האחרונות מציעות אפוא שכוח שאינו ידוע בעבר או פיסיקה חדשה עשויה להיות בעבודה ביקום. מבחינת ההסברים, רייס וצוותו הציעו שלוש אפשרויות שכולן קשורות ל -95% מהיקום שלא נוכל לראות (כלומר חומר אפל ואנרגיה אפלה). בשנת 2011 הוענק רייס ושני מדענים נוספים בפרס נובל לפיזיקה על תגליתם משנת 1998 כי היקום נמצא בקצב התפשטות מואץ.
בהתאמה לכך הם מציעים שאנרגיה אפלה יכולה להדיח את הגלקסיות לגדול מהעוצמה. אפשרות נוספת היא שישנו חלקיק תת-אטומי שלא נחשף שדומה לנייטרינו, אך מתקיים אינטראקציה עם חומר רגיל על ידי כוח הכבידה במקום כוחות תת-אטומיים. "נייטרינים סטריליים" אלה היו נוסעים קרוב למהירות האור ויכולים להיות ביחד המכונה "קרינה אפלה".
כל אחת מהאפשרויות הללו הייתה אומרת שתכני היקום המוקדם היו שונים, ובכך להכריח מחדש את המודלים הקוסמולוגיים שלנו. נכון לעכשיו, לריס ועמיתים אין תשובות, אך הם מתכננים להמשיך לכוונן את המדידות שלהם. עד כה צוות SHoES צמצם את אי הוודאות של האבל קבוע ל -2.3%.
זה תואם את אחת המטרות המרכזיות של טלסקופ החלל האבל, שהיה אמור לסייע בהפחתת ערך אי הוודאות בקונסטנט של האבל, אשר הערכותיו שונות בעבר על ידי גורם של 2.
אז בעוד שאי-התאמה זו פותחת דלת לשאלות חדשות ומאתגרות, היא גם מצמצמת את חוסר הוודאות שלנו באופן משמעותי בכל הנוגע למדידת היקום. בסופו של דבר זה ישפר את ההבנה שלנו כיצד התפתח היקום לאחר שנוצר במצוקה לוהטת לפני 13.8 מיליארד שנה.
