Alam semesta tampaknya mengembang lebih cepat dari yang seharusnya. Dan tidak ada yang tahu mengapa - dan pengukuran jarak ultra-presisi baru hanya memperburuk masalah ini.
Dapat diklik
pada tanggal 3 Desember, umat manusia tiba-tiba memiliki informasi yang ingin kami terima sejak jaman dahulu: jarak yang tepat ke bintang-bintang.
"Masukkan nama sebuah bintang atau lokasinya, dan dalam sekejap Anda akan mendapat jawaban," kata Barry Mador , seorang kosmolog di Universitas Chicago dan Observatorium Carnegie, selama panggilan video. "Secara umum ..." - dia terdiam.
“Kami dibanjiri dengan data ini,” kata Wendy Friedman , seorang kosmolog di universitas yang sama dan istri serta kolega Mador.
"Anda tidak bisa melebih-lebihkan kegembiraan saya tentang ini," kata Adam Riess dari Universitas Johns Hopkins, yang memenangkan Hadiah Nobel 2011 atas kontribusinya terhadap penemuan energi gelap , melalui telepon . "Izinkan saya beralih ke video untuk menunjukkan kepada Anda apa yang sangat membuat saya terpesona?" Kami beralih ke Zoom sehingga dia dapat membagikan layarnya, di mana terdapat grafik indah yang menggambarkan data baru tentang lokasi bintang.
Data ini dikumpulkan oleh pesawat ruang angkasa GaiaBadan Antariksa Eropa. Selama enam tahun terakhir, dia telah menatap bintang-bintang dari ketinggian satu setengah juta kilometer. Teleskop telah mengukur paralaks 1,3 miliar bintang - perubahan kecil pada posisi nyata bintang yang memberikan jarak kepada mereka. "Paralaks dari Gaia adalah pengukuran jarak paling akurat yang pernah ada," kata Joe Bovey , astrofisikawan di Universitas Toronto.
Dan yang paling menyenangkan bagi ahli kosmologi, katalog Gaia yang baru menyertakan bintang-bintang khusus, jarak yang menjadi tolak ukur untuk semua jarak yang lebih jauh. Oleh karena itu, data baru secara instan memperburuk masalah terbesar kosmologi modern: perluasan alam semesta yang sangat cepat dan tak terduga, "ketegangan Hubble" [ketegangan Hubble].
Ketegangannya adalah sebagai berikut: berdasarkan komponen alam semesta yang diketahui dan persamaan yang mengaturnya, ternyata ia harus mengembang dengan kecepatan 67 km per detik per megaparsec - yaitu, dengan setiap megaparsec tambahan antara kita dan galaksi, seharusnya terbang menjauh dari kita 67 km lebih cepat ... Namun, pengukuran aktual secara konsisten melebihi nilai ini. Galaksi terbang terlalu cepat. Perbedaan ini menunjukkan ide yang mengganggu bahwa pasti ada semacam faktor percepatan yang tidak kita ketahui di luar angkasa.
“Akan sangat luar biasa untuk menemukan fisika baru,” kata Friedman. “Saya diam-diam berharap penemuan dapat dibuat atas dasar ini. Tapi kita perlu memastikan bahwa kita benar. Ada banyak pekerjaan yang harus dilakukan sebelum membuatnya eksplisit. ”
Pekerjaan ini termasuk mengurangi kemungkinan sumber kesalahan dalam pengukuran laju ekspansi. Sumber terbesar adalah jarak ke bintang-bintang yang paling dekat dengan kita - dan jarak ini diperhalus oleh data paralaks baru.
Dalam makalah yang diterbitkan di jurnal The Astrophysical Journal paperTim Riesz menggunakan data baru untuk menyempurnakan tingkat ekspansi. Mereka mendapat 73,2 km per detik per megaparsec, yang sejalan dengan perkiraan mereka sebelumnya, hanya sekarang kesalahannya menurun menjadi 1,8%. Ini hanya memperkuat perbedaan dengan kecepatan yang diprediksi, 67.
Friedman dan Mador segera berencana untuk menerbitkan pengukuran kecepatan ini yang baru dan lebih baik. Mereka juga percaya bahwa data baru hanya akan memperkuat, tetapi tidak mengubah, dimensinya, yang, meskipun lebih kecil dari Riesz dan kelompok lain, masih melebihi prediksi.
Sejak meluncurkan Gaia pada Desember 2013, ia telah merilis dua kumpulan data besar yang telah merevolusi pemahaman tentang bagian-bagian kosmos yang paling dekat dengan kita. Namun, pengukuran paralaks Gaia sebelumnya mengecewakan semua orang. “Saat kami melihat rilis data pertama,” pada 2016, “kami merasa ingin menangis,” kata Friedman.
Masalah tak terduga
Jika paralaks lebih mudah diukur, revolusi Copernican bisa saja terjadi lebih awal.
Pada abad ke-16, Copernicus menyatakan bahwa Bumi berputar mengelilingi Matahari [asumsi seperti itu telah diungkapkan jauh sebelumnya, tetapi di Eropa sistem geosentris dianggap diterima secara umum ]. Namun, bahkan para astronom pun tahu tentang paralaks. Jika Copernicus benar, dan Bumi sedang bergerak, maka mereka berharap untuk melihat posisi bintang-bintang di langit bergeser - seperti tiang lampu yang Anda lihat bergeser relatif terhadap bukit-bukit jauh di belakangnya saat Anda menyeberang jalan. Astronom Tycho Brahe tidak mendeteksi pergeseran tersebut, dan menyimpulkan bahwa Bumi tidak bergerak.
Namun, ia bergerak, dan bintang-bintang bergeser, meskipun sangat kecil, karena letaknya sangat jauh dari kita.
Baru pada tahun 1838, astronom Jerman Friedrich Wilhelm Bessel mampu mendeteksi paralaks bintang. Mengukur pergeseran sudut sistem bintang 61 Cygnus terhadap bintang-bintang di sekitarnya, Bessel menyimpulkan bahwa ia terletak pada jarak 10,3 tahun cahaya dari kita [dalam ekspresi kiasan orang-orang sezamannya, “untuk pertama kalinya banyak, terlempar ke dalam alam semesta, mencapai dasar ”/ kira-kira ... per.]. Dan ukurannya hanya berbeda 10% dari kebenaran - pengukuran baru Gaia mengatakan bahwa dua bintang dari sistem ini terletak pada jarak 11,4030 dan 11,4026 tahun cahaya dari kita, memberi atau mengambil seperseribu.
System 61 Swan sangat dekat dengan kita. Bintang yang lebih khas di Bima Sakti hanya bergerak seperseratus detik busur - seratus kali lebih kecil dari satu piksel dalam kamera teleskop modern. Untuk menentukan pergerakan mereka, diperlukan peralatan khusus yang sangat stabil. Gaia dirancang khusus untuk tujuan ini, tetapi saat teleskop dihidupkan, kami menghadapi masalah yang tidak terduga.
Teleskop bekerja dengan melihat ke dua arah sekaligus, dan melacak perbedaan sudut antara bintang-bintang di dua bidang pandang, jelas Lennart Lindergen , salah satu penulis proyek Gaia pada 1993, dan pemimpin tim yang menganalisisdata paralaks baru. Pengukuran paralaks yang akurat mengharuskan sudut antara kedua bidang pandang tetap konstan. Tetapi di awal misi, para ilmuwan menemukan bahwa bukan itu masalahnya. Teleskop sedikit tertekuk saat berputar dalam kaitannya dengan Matahari, yang menyebabkan getaran merayap ke dalam gerakannya yang meniru paralaks. Lebih buruk lagi, pergeseran ini sangat bergantung pada lokasi objek, warna, dan kecerahannya.
Namun, saat data dikumpulkan, para ilmuwan menemukan bahwa akan lebih mudah untuk memisahkan paralaks palsu dari yang asli. Lindegren dan rekan-rekannya mampu menghapus sebagian besar goyangan teleskop dari data baru, dan juga mendapatkan rumus yang dapat digunakan peneliti untuk mengoreksi perubahan paralaks berdasarkan lokasi, warna, dan kecerahan bintang.
Menaiki tangga
Berbekal data baru, Riess, Friedman, dan Mador beserta timnya dapat menghitung ulang laju perluasan alam semesta. Secara umum, untuk mengukur laju ekspansi, Anda perlu memahami seberapa jauh jarak galaksi dari kita, dan seberapa cepat mereka menjauh dari kita. Mengukur kecepatan itu mudah, tetapi jaraknya sulit.
Pengukuran paling akurat bergantung pada tangga kompleks jarak kosmik". Langkah pertama adalah" lilin standar "- bintang-bintang, di dalam dan di luar Galaksi kita dengan kecerahan yang terdefinisi dengan baik, terletak cukup dekat dengan kita untuk mengukur paralaksnya - dan ini adalah satu-satunya cara untuk mengukur jarak ke suatu objek tanpa mendekatinya. Para astronom kemudian membandingkan kecerahan lilin standar ini dengan kecerahan lilin redup di galaksi terdekat untuk menghitung jaraknya. Ini adalah anak tangga kedua. Mengetahui jarak ke galaksi yang dipilih karena memiliki ledakan yang langka dan terang dari supernova tipe Ia., astronom dapat mengukur jarak relatif ke galaksi yang terletak lebih jauh lagi, di mana terdapat juga supernova tipe Ia, yang sudah lebih redup bagi kita. Rasio kecepatan galaksi-galaksi yang jauh ini dengan jaraknya memberikan kecepatan perluasan ruang.
Oleh karena itu, paralaks sangat penting untuk keseluruhan desain ini. “Ubah langkah pertama - paralaks - dan semua langkah berikutnya juga akan berubah,” kata Riess, salah satu pemimpin dalam pendekatan tangga jarak. "Ubah ketepatan langkah pertama, ketepatan segala sesuatu berubah."
Tim Riesz menggunakan paralaks 75 Cepheid baru yang diukur Gaia - bintang variabel yang berdenyut, dipilih oleh mereka sebagai lilin standar yang mereka sukai - untuk mengkalibrasi ulang pengukuran laju ekspansi alam semesta.
Saingan utama Riess dalam permainan tangga jarak, Friedman dan Mador, telah mulai berdebat dalam beberapa tahun terakhir bahwa Cepheid mungkin menyembunyikan kesalahan yang mempengaruhi anak tangga teratas. Oleh karena itu, tanpa mengandalkannya, tim mereka menggabungkan pengukuran berdasarkan berbagai candle standar dari kumpulan data Gaia - Cepheid, variabel RR Lyrae, bintang dari atas cabang raksasa merah, dll. bintang karbon .
“Data baru Gaia memberi kami platform yang aman,” kata Mador. Dia dan Friedman mencatat bahwa data baru dan rumus penyesuaiannya berfungsi dengan baik. Saat menggunakan berbagai metode untuk menyusun dan menganalisis pengukuran, titik-titik pada grafik, yang menunjukkan Cepheid dan bintang lainnya, jatuh dengan indah pada garis lurus, hampir tanpa ragu-ragu, berbicara tentang kesalahan acak.
“Ini menunjukkan bahwa kami benar-benar mendapatkan data yang sebenarnya,” kata Mador.