웹 우주 망원경은 우주의 팽창 속도를 측정합니다

허블 장력이란 관측된 우주 팽창률과 예상되는 우주 팽창률의 차이를 말합니다. 그만큼 제임스 웹 우주 망원경 이전에 측정한 내용을 수정합니다. 허블 우주 망원경. 이러한 진전에도 불구하고 우주의 급속한 팽창과 가능한 근본적인 우주 현상에 대한 의문은 여전히 ​​남아 있습니다.

허블 상수로 알려진 우주가 팽창하는 속도는 우주의 진화와 궁극적인 운명을 이해하는 기본 기준 중 하나입니다. 그러나 다양한 독립 거리 지수로 측정한 상수 값과 관측치에서 기대하는 값 사이에는 ‘허블 장력’이라는 지속적인 차이가 존재합니다. 엄청난 폭발 어스름.

NASA제임스 웹 우주 망원경은 이러한 긴장에 대한 가장 강력한 관측 증거를 조사하고 개선할 수 있는 새로운 기능을 제공합니다. 노벨상 수상자 존스 홉킨스 대학의 아담 리스(Adam Ries)와 우주 망원경 과학 연구소(Space Telescope Science Institute)는 Webb 관측을 사용하여 허블 상수의 로컬 측정 정확도를 향상시킨 동료들의 최근 연구 결과를 발표했습니다.

우주 측정 문제

“시야 가장자리에 있는 표시를 보려고 애쓴 적이 있습니까? 그것은 무엇을 말합니까? 그것은 무엇을 의미합니까? 가장 강력한 망원경을 사용하더라도 천문학자들이 읽고 싶어하는 ‘표시’는 너무 작아서 우리가 어려움을 겪습니다. , 도.”

“우주학자들이 읽고 싶어하는 기호는 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는지 알려주는 우주 속도 제한의 기호, 즉 허블 상수라고 불리는 숫자입니다. 우리의 기호는 먼 은하계의 별들에 기록되어 있습니다. 우주에 있는 일부 별들의 밝기 그 은하들은 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 따라서 빛이 얼마나 많은 시간을 이동했는지 알려줍니다.” 우리에게 도달하기 위해 은하의 적색편이는 그 기간 동안 우주가 얼마나 팽창했는지, 따라서 팽창이 얼마나 되었는지 알려줍니다. 평균.

이 차트는 우주의 팽창 속도를 보정하는 데 사용되는 특별한 종류의 변광성까지의 정확한 거리를 결정하는 데 있어 NASA의 허블 우주 망원경과 웹 우주 망원경의 결합된 힘을 보여줍니다. 이 세페이드 변광성은 혼잡한 별장에서 볼 수 있습니다. 주변 별의 빛 오염으로 인해 세페이드의 밝기 측정이 덜 정확해질 수 있습니다. Webb의 더 선명한 적외선 보기를 통해 다이어그램의 오른쪽에서 볼 수 있듯이 세페이드 표적을 주변 별과 더 명확하게 격리할 수 있습니다. Webb의 데이터는 우주의 팽창률을 측정하기 위한 우주 거리 척도의 하단 단계를 결정하는 데 중요한 역할을 했던 세페이드에 대한 허블 관측의 30년 정확성을 확인시켜 줍니다. 왼쪽에는 Webb NIRCam(근적외선 카메라)과 허블의 광시야 카메라 3의 합성 이미지에 NGC 5584가 표시되어 있습니다. 이미지 제공: NASA, ESA, A. Riess(STScI), W. Yuan(STScI)

“특정 별 종류인 세페이드 변광성은 매우 밝기 때문에 100년 이상 동안 우리에게 가장 정확한 거리 측정을 제공했습니다. 이 별들은 태양 광도의 수십만 배에 달하는 거대한 별입니다. 게다가 맥동합니다. (예: 크기로 확장 및 축소) 몇 주 동안 상대 밝기를 나타냅니다. 기간이 길수록 본질적으로 더 밝습니다. 수억 광년 또는 은하 사이의 거리를 측정하는 목적으로 사용되는 표준 도구입니다. 더 멀리 떨어져 있으며 허블 상수를 결정하는 중요한 단계입니다. 불행하게도 은하계의 별들은 먼 관점에서 볼 때 작은 영역에 함께 모여 있기 때문에 시선에 있는 이웃과 별들을 분리할 수 있는 해상도가 부족한 경우가 많습니다.

허블의 기여와 웹의 발전

“허블 우주 망원경을 건설한 주된 이유는 이 문제를 해결하기 위한 것이었습니다. 1990년 허블의 발사와 그에 따른 세페이드 측정 이전에는 우주의 팽창 속도가 너무 불확실해서 천문학자들은 우주가 100억 단위로 팽창하는지 200억 단위로 팽창하는지 확신할 수 없었습니다. 이는 팽창 속도가 빠르면 우주의 나이가 더 젊어지고, 팽창 속도가 느리면 우주의 나이가 들기 때문입니다. 허블은 어떤 지상 망원경보다 가시 파장 분해능이 더 좋습니다. 지구 대기의 성운 효과 위에 위치하므로, 수억 광년 이상 떨어진 은하계의 개별 세페이드 변광성을 식별하고 밝기가 변하는 시간 간격을 측정할 수 있습니다.

“그러나 우리는 사이에 있는 먼지를 손상 없이 통과하는 빛을 보려면 스펙트럼의 근적외선 부분에서 세페이드 별도 관찰해야 합니다. (먼지는 푸른 광학 광선을 흡수하고 산란시켜 멀리 있는 물체를 희미하게 보이게 하고 우리를 속여 생각하게 만듭니다.) (그들은 실제보다 더 멀리 떨어져 있다.) 불행하게도 허블이 보는 빨간빛은 파란빛만큼 선명하지 않기 때문에 우리가 보는 세페이드 별빛은 그 시야에 있는 다른 별들과 섞여 있다. 우리는 평균 혼합량을 계산할 수 있다. , 통계적으로, 의사가 체중계 판독값에서 옷의 평균 무게를 빼서 체중을 계산하는 것과 같은 방식이지만 그렇게 하면 측정값에 혼란이 더해집니다. 어떤 사람들의 옷은 다른 사람들보다 무겁습니다.

“그러나 선명한 적외선 시야는 제임스 웹 우주 망원경의 초능력 중 하나입니다. 큰 거울과 민감한 광학 장치를 사용하면 혼합이 거의 없이 근처 별에서 세페이드 빛을 쉽게 분리할 수 있습니다. 웹이 관측 프로그램을 운영한 첫해에 1685년, 우리는 우주 거리 사다리로 알려진 두 단계를 따라 허블이 발견한 세페이드 관측 자료를 수집했습니다. 첫 번째 단계는 세페이드의 실제 광도를 보정할 수 있는 기하학적 거리가 알려진 은하에서 세페이드를 관찰하는 것입니다. 두 번째 단계는 최근 Ia형 초신성의 모은하에서 세페이드를 관찰하는 것입니다. 처음 두 단계를 결합하면 초신성까지의 거리에 대한 지식을 전달하여 실제 밝기를 보정할 수 있습니다. 세 번째 단계는 다음과 같습니다. 우주의 팽창이 명백하고 초신성 모은하의 밝기와 적색편이로부터 유추된 거리를 비교하여 측정할 수 있는 먼 초신성을 관찰합니다. 이러한 일련의 단계를 거리 사다리라고 합니다.

“우리는 최근 1단계와 2단계에서 첫 번째 Webb 측정값을 얻었으므로 거리 사다리를 완성하고 이를 허블을 사용하여 이전 측정값과 비교할 수 있습니다(그림 참조). Webb의 측정값은 관측소의 근거리 정확도로 인해 세페이드 측정의 노이즈를 크게 줄였습니다. -적외선 파장. 이런 종류의 개선은 천문학자들이 꿈꾸는 것입니다! 우리는 처음 두 단계 동안 320개 이상의 세페이드 별을 관찰했습니다. 우리는 허블 우주 망원경에 의한 이전 측정이 더 시끄럽기는 하지만 정확하다는 것을 확인했습니다. 우리는 또한 4개의 초신성 호스트를 관찰했습니다. Webb, 우리는 전체 샘플에 대해 비슷한 결과를 보았습니다.

거리를 측정하는 데 사용되는 세페이드 주기와 광도 간의 관계를 비교합니다. 빨간색 점은 NASA의 Webb에서 가져온 것이고 회색 점은 NASA의 Hubble에서 가져온 것입니다. 상단 패널에는 Ia형 초신성의 주인인 NGC 5584가 표시되어 있으며, 삽입된 그림에는 각 망원경에서 본 것과 동일한 세페이드의 이미지 스탬프가 표시되어 있습니다. 하단 패널은 기하학적 거리가 알려진 은하인 NGC 4258에 대한 것으로, 삽입된 부분에는 각 망원경을 사용하여 측정한 NGC 5584와 NGC 4258 사이의 거리 계수 차이가 표시되어 있습니다. 두 망원경은 매우 잘 일치합니다. 이미지 제공: NASA, ESA, A. Riess(STScI) 및 G. 아난드(STScI)

허블 장력의 계속되는 미스터리

“결과가 아직 설명하지 못한 것은 우주가 왜 그렇게 빠르게 팽창하고 있는지입니다! 우리는 할 수 있습니다. 자존심 초기 이미지를 관찰하여 우주의 팽창 속도 우주 전자레인지 배경그런 다음 시간이 지남에 따라 우주가 어떻게 성장하는지에 대한 최고의 모델을 사용하여 오늘날 우주가 얼마나 빨리 팽창해야 하는지 알려줍니다. 현재의 팽창률 측정치가 기대치를 극적으로 초과하고 있다는 사실은 ‘허블 지터’라고 불리는 10년 동안 지속된 문제입니다. 가장 흥미로운 가능성은 스트레스가 우주에 대한 이해에서 우리가 놓친 무엇인가의 증거라는 것입니다.

“이것은 이국적인 암흑 에너지, 이국적인 암흑 물질의 존재, 중력에 대한 이해의 수정, 독특한 입자나 장의 존재를 나타낼 수 있습니다. 가장 간단한 설명은 여러 측정 오류가 같은 방향으로 공모한다는 것입니다(천문학자들은 독립적인 단계를 사용하여 하나의 오류를 배제했기 때문에 측정을 보다 정확하게 반복하는 것이 매우 중요합니다. Webb의 허블 측정 확인으로 Webb의 측정은 허블의 세페이드 광도계의 체계적인 오류가 허블의 측정에서 중요한 역할을 하지 않는다는 가장 강력한 증거를 제공합니다. 현재의 초조함. 이에 따라 가장 유력한 관심이 테이블 위에 오르며 긴장감 넘치는 미스터리가 깊어진다.

이 게시물은 A의 데이터를 강조합니다. 종이 이전에 승인된 것 천체 물리학 저널.

참고 자료: “더 이상 붐비지 않음: 제임스 웹 우주 망원경을 사용한 세페이드 물체의 고해상도 관찰로 테스트한 허블 상수의 정확성”(Adam J. 리스, 가간딥 S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Proval, Dan Skolnick, Marshall Perrin 및 Richard I. Anderson이 수락했습니다. 천체 물리학 저널.
arXiv:2307.15806

저자: Adam Ries는 존스 홉킨스 대학의 Bloomberg 특훈 교수, JHU Krieger School of Arts and Sciences의 우주 연구 분야 Thomas G. Barber 교수, 우주 망원경 과학 연구소의 저명한 천문학자, 2011년 노벨상 수상자입니다. 물리학상.