Edwin Hubble – Hubblekonstanten

Hubblekonstanten er fremdeles ikke helt konstant

En av de mest omdiskuterte verdiene i kosmologien, Hubblekonstanten, er igjen oppe til debatt etter offentliggjøring av nye målinger som bidrar til forvirringen, og kanskje peker mot ny fysikk.

Observatoriet på Mount Wilson, hvor Edwin Hubble gjennomførte sine skjellsettende observasjoner. Økende lysforurensing fra Los Angeles har begrenset teleskopets observasjonsmuligheter, men stedet er fremdeles et senter for aktiv forskning.
Observatoriet på Mount Wilson, hvor Edwin Hubble gjennomførte sine skjellsettende observasjoner. Økende lysforurensing fra Los Angeles har begrenset teleskopets observasjonsmuligheter, men stedet er fremdeles et senter for aktiv forskning. (Foto: Roger Resmeyer)

En av de mest omdiskuterte verdiene i kosmologien, Hubblekonstanten, er igjen oppe til debatt etter offentliggjøring av nye målinger som bidrar til forvirringen, og kanskje peker mot ny fysikk.

  • Hubble

Det 2,5 meter brede Hooker-teleskopet var, da det sto ferdig etter 10 års arbeid i 1917 og helt fram til 1949, verdens største teleskop. Teleskopet er installert i observatoriet på Mount Wilson i San Gabriel-bergkjeden ved Pasadena nordøst for Los Angeles.

Spesielle geografiske forhold gjorde stedet ideelt for å kikke opp på stjernene. Den rolige og klare lufta ligger over dynen av smog fra Los Angeles, som den gangen fremdeles ikke forurenset himmelen over fjellet med byens lys.

På dette tidspunktet, i 1917, var de fleste astronomene fremdeles av den oppfatningen at Melkeveien inneholdt alle universets stjerner. Stjernetåkene måtte være nærobjekter av gass og støv, mente man. Men ikke Edwin Hubble.

Den tidligere atleten, juristen og krigsveteranen tilbragte mange kalde netter på fjellet over Los Angeles med å observere nattehimmelen. Og med Hubbles observasjoner ble både nattehimmelen og vår forståelse av den større.

Først viste han at det finnes galakser i tillegg til vår egen, og i 1929 gjorde han den oppdagelsen som fremdeles i dag forundrer og fascinerer – at universet utvider seg.

Denne oppdagelsen forsvarte Hubble med observasjoner av forholdet mellom galaksers avstand og hastigheten deres bort fra Jorden. Han fant fram til at forholdet er noenlunde lineært. Og proporsjonaliteten mellom størrelsene er det som vi kjenner som Hubblekonstanten, H. Matematisk kan dette uttrykkes som v = H · D, hvor v er den radiale hastigheten og D er avstanden.

I de 100 årene som har gått siden Hubbles oppdagelse har det vært mange meninger om hubblekonstantens sanne verdi. Men i løpet av de siste tiårene har myriaden av målinger uforklarlig spaltet seg i to grener. Trengs det ny fysikk for å forklare forskjellen?

Les også

De første verdiene

Universets utvidelse hadde blitt utledet teoretisk fra Einsteins feltligninger av Alexander Friedmann syv år før Hubbles målinger. I tillegg hadde den belgiske presten og astrofysikeren Georges Lemaître også faktisk to år før Hubble forklart de rødforskjøvne galaksene med at universet utvider seg.

Uavhengig av Lemaître, som hadde offentliggjort studiene sine i et obskurt belgisk tidsskrift, utledet Hubble et forhold mellom avstanden til galakser og rødforskyvningen deres, og at hastigheten kan finnes ut fra dette.

Avstanden til stjerner og galakser har vært kosmologiens konstante hodepine, og lenge har unøyaktige avstandsmålinger vært den hovedmistenkte i de underlig divergerende målingene av hubblekonstanten. Etter hvert har forskerne klart å bygge en kosmologisk avstandstrapp som fungerer som en lineal i universet så langt ut som teleskopene rekker.
Med enkel geometri og avstanden mellom Jorden og Solen kan man med parallakse-metoden finne avstanden til de nærmeste stjernene. Blant de nærmeste stjernene finnes en type som kalles kefeider, med et lys som pulserer i mørket som et fyrtårn. Kefeider kan deretter finnes i enda større avstander, hvor man også finner en spesiell type supernovaer av typen Ia, som har en helt spesiell og nesten ensartet måte å eksplodere på. Litt som den samme fyrstikken som strykes og forbrenner med forskjellige avstander. Jo lenger vekk, desto svakere lys. Supernovaer av typen Ia er astrofysikernes stjerne for avstandsmåling, for det finnes mange av dem, og fordi de kan observeres langt vekk; helt opp til 10 milliarder lysår.

Disse metodene utgjør trinnene i den kosmologiske avstandstrappen. En feil i parallaksemetoden vil forplante seg til bestemmelsen av avstanden til supernovaer.
De først beregnede verdiene av både Hubble og Lameitre var ganske solide bomskudd. Hubbles tall var basert på unøyaktige antakelser om kefeidenes lysstyrke. Antakelsene ga helt feil avstander, og førte til en Hubblekonstant på 500 km/s/Mpc – omtrent en faktor syv ganger større enn de aktuelle verdiene. Konstanten med den spesielle enheten skal tolkes som at en galakse i en avstand på 1 Mpc (megaparsec) – noe som tilsvarer cirka 3 millioner lysår – fjerner seg fra Jorden med en hastighet på 500 km/s. I en avstand på 2 Mpc vil galaksen fjerne sig med 1000 km/s og så videre.

Fallende verdi, økende forvirring

Forbedrede teleskoper og flere, uavhengige kalibreringer av avstander har i årenes løp forbedret hubblekonstantens presisjon. På 1980-tallet var verdien kommen ned på under 100 km/s/Mpc, og noen astrofysikere mente til og med at verdien måtte være under 50. Oppdagelsen av at universets utvidelse akselererer skapte en foreløpig konsensus, og på slutten av 1990-tallet var det en rørende enighet om en verdi på ca. 70 ± 5 km/s/Mpc.

Men på begynnelsen av 2000-tallet skjedde det enda et skifte. Fortsatt fallende måleusikkerheter gjorde det etter hvert åpenbart at to forskjellige typer målinger av hubblekonstanten ga forskjellige verdier. Litt for forskjellige verdier ifølge flere fremtredende astrofysikere. Blant andre nobelprisvinneren Adam Riess, som i et studium fra tidligere i år finner forskjellene så store at «det viser at diskrepansen ikke ser ut til å være avhengig av noen bestemt metode, forskergruppe eller kilde».

Uenigheten står mellom to bevegelser. På den ene siden målinger fra det sene universet, nærmest oss, som bygger på avstandstrappen, og som gir en hubblekonstant, H, et sted rundt 74,0 ± 1,5 km/s/Mpc. Og på den andre siden har vi målinger fra det tidlige universet, lengst unna, som bygger på den kosmiske bakgrunnsstrålingen, som er lys utskilt fra universets masse bare ca. 300.000 år etter Big Bang. Målinger av det tidlige universet gir en hubblekonstant H på 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.

Det spesielle ved målingene fra det tidlige universet er at de avhenger av den kosmologiske standardmodellen; den såkalte Lambda-CDM-modellen. Dermed åpner diskrepansen for at det er her feilen ligger – i selve modellen for universet.

Målemetodenes forbedrede kvalitet og mengde gjør det etter hvert usannsynlig at forskjellen skyldes måleusikkerheter. Konservativt regnet er det en sannsynlighet på 1 til 1000 for at forskjellen er resultatet av tilfeldige feil.

Man kan innvende at dette kunne være systematiske feil som forskerne ikke har tatt høyde for, slik professor Johan Fynbo fra Niels Bohr Instituttet i Danmark også gjør:
«Det er noen svært vanskelige målinger når man skal kalibrere avstander hvor det er en stor sannsynlighet for systematiske feil. Det skjer ofte at det er noe som man har oversett i usikkerhetsbudsjettet».

Les også

Andre briller

Under nye målinger av det sene universet finner hubblekonstanten en annen vei hvor de systematiske feilene i så fall vil være noen andre. Også her ligger verdiene innenfor usikkerhetene, og stemmer overens med de øvrige målingene fra det sene universet, med en verdi på 82 ± 8 km/s/Mpc.

Målingene bygger på gravitasjonelle linsesystemer. I gravitasjonelle linsesystemer vil lys fra en fjern galakse bli bøyd av gravitasjonsfeltet fra en mellomliggende galakse. Visuelt vil dette vise seg som en lysende krans rundt linse-galaksen. Ved å måle hastigheter til galaksens stjerner kan man estimere galaksens gravitasjonelle potensial. Sammen med målinger av bakgrunnslysets tidsforskyvning kan man finne linsesystemets diameter, og bruke den til å bestemme avstanden til galaksen.

Fenomenet med gravitasjonelle linsesystemer er ikke nytt. Og man har tidligere til og med beregnet hubblekonstanten direkte ut fra disse fenomenene. Det nye er å bruke teknikken til å kalibrere avstandsmålinger til supernova Ia. Ved å bruke linsesystemet til å kalibrere SNIa-avstander omgås de nederste trinnene på avstandsstigen, og man oppnår en måling av hubblekonstanten fra SNIa-avstander og rødforskyvning som unngår noen av de potensielle systematiske feilkildene ved avstandstrappen.

Ny fysikk

Så her står vi. Med to tilsynelatende uforenelige målinger av den samme parameteren. Forskjellen kan skyldes ukjente systematiske feil i måten som vi måler avstander og hastigheter i universets dybder på. Det er en mulighet. Men den muligheten virker stadig mer usannsynlig. Krever uoverensstemmelsen ytterligere undersøkelser av systematiske feilkilder, eller kan det være andre og mer fundamentale forklaringer? Johan Fynbo kjøper ikke det helt:
«Det er mye i den kosmologiske modellen som vi ikke vet så mye om, så det er ganske mulig. Man må forholde seg åpen. Men rent personlig tror jeg fremdeles at problemet vil forsvinne. Den kosmologiske standardmodellen passer helt fantastisk godt til dataene».

Det ser ikke ut til at vi entydig må forlate muligheten for å forene grenene i hubblekonstantens måling. Med mulighet til å bruke tyngdebølger som avstandsmål, har det blitt åpnet et nytt vindu. Målingene av tyngdebølger er fremdeles for få, og usikkerhetene for store til å kunne løse uenigheten, men i takt med at observasjonsmaterialet økes, vil det kaste et nytt lys over hubblekonstanten.

Med den robustheten som begge gruppene har målt hubblekonstanten, er flere astrofysikere begynt alvorlig å vurdere om dette er tegn på at den kosmologiske standardmodellen må revideres.

Hvor i den grunnleggende forståelsen vår vi har tatt feil – hvis vi har tatt feil – er fremdeles ikke utforsket. Men nettopp det spørsmålet vil drive forskningen i fremtiden, slik at hubblekonstantens bevegelse kanskje endelig vil lande på én enkelt verdi.

Les også

Denne artikkelen ble først publisert på Ingeniøren.

Kommentarer (14)

Kommentarer (14)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå