Nieuwe kijk op het oudste licht van de natuur geeft een twist aan het debat over de leeftijd van het universum

[univers]

Vanaf een berg hoog in de Atacama-woestijn in Chili hebben astronomen van de Atacama Cosmology Telescope (ACT) van de National Science Foundation een frisse blik werpen op het oudste licht in het universum. Hun nieuwe waarnemingen plus een beetje kosmische geometrie suggereren dat het universum 13,77 miljard jaar oud is, 40 miljoen jaar of meer.

De nieuwe schatting komt overeen met die van het standaardmodel van het heelal en metingen van hetzelfde licht gemaakt door de Planck-satelliet. Dit voegt een nieuwe draai toe aan een lopend debat in de astrofysische gemeenschap, zegt Simone Aiola, eerste auteur van een van de nieuwe artikelen over de bevindingen in de Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Steve Choi , Cornell Presidential Postdoctoral Fellow en onderzoeker aan het Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science in the College of Arts & Sciences, is hoofdauteur van het artikel " The Atacama Cosmology Telescope: a meting van de Cosmic Microwave Background power spectra at 98 en 150 GHz '', gepubliceerd op 30 december 2020.

In 2019 berekende een onderzoeksteam dat de bewegingen van sterrenstelsels meet dat het universum honderden miljoenen jaren jonger is dan het Planck-team voorspelde. Die discrepantie suggereerde dat er misschien een nieuw model voor het universum nodig zou zijn en leidde tot bezorgdheid dat een van de meetreeksen mogelijk onjuist zou zijn.

"Nu hebben we een antwoord gevonden waar Planck en ACT het over eens zijn", zegt Aiola, een onderzoeker bij het Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics. "Het toont aan dat deze moeilijke metingen betrouwbaar zijn."

De ouderdom van het universum laat ook zien hoe snel de kosmos zich uitbreidt, een getal dat wordt gekwantificeerd door de Hubble-constante. De ACT-metingen suggereren een Hubble-constante van 67,6 kilometer per seconde per megaparsec. Dat betekent dat een object op 1 megaparsec (ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar) van de aarde met 67,6 kilometer per seconde van ons af beweegt als gevolg van de uitdijing van het universum. Dit resultaat komt bijna precies overeen met de eerdere schatting van 67,4 kilometer per seconde per megaparsec door het Planck-satellietteam, maar het is langzamer dan de 74 kilometer per seconde per megaparsec die is afgeleid uit de metingen van sterrenstelsels.

"Ik had geen specifieke voorkeur voor een specifieke waarde - het zou op de een of andere manier interessant worden", zegt Choi. “We vinden een uitbreidingssnelheid die precies overeenkomt met de schatting van het Planck-satellietteam. Dit geeft ons meer vertrouwen in metingen van het oudste licht van het universum. "

Maar de discrepantie tussen de metingen suggereert dat er ofwel iets ontbreekt in ons kosmologische model, ofwel dat er iets mis is met de metingen, zegt Michael Niemack , co-auteur van de twee voorlopige artikelen. Hoewel verschillende metingen in het plaatselijk universum een ​​constant hogere Hubble-constante vinden, is dit de eerste keer dat twee onafhankelijke kosmische microgolf-achtergrondmetingen (CMB) consistent lagere Hubble-constanten vonden. (De CMB markeert een tijd 380.000 jaar na de geboorte van het universum toen protonen en elektronen zich verenigden om de eerste atomen te vormen. Vóór die tijd was de kosmos ondoorzichtig voor licht.)

“De groeiende spanning tussen deze verre versus lokale metingen van de Hubble-constante suggereert dat we mogelijk op de rand staan ​​van een nieuwe ontdekking in de kosmologie die ons begrip van hoe het universum werkt zou kunnen veranderen. Het benadrukt ook het belang van het verbeteren van onze metingen van de CMB met ACT, evenals de toekomstige Simons Observatory en CCAT-prime projecten die we nu bouwen ”, zegt Niemack, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie.

Net als de Planck-satelliet kijkt ACT naar de CMB, de nagloed van de oerknal.


Een deel van een nieuwe foto van het oudste licht in het heelal, gemaakt door de Atacama Cosmology Telescope. Dit deel beslaat een deel van de hemel dat 50 keer de breedte van de maan bedraagt, wat neerkomt op een gebied van 20 miljard lichtjaar in de ruimte. Het licht, dat slechts 380.000 jaar na de oerknal wordt uitgezonden, varieert in polarisatie (hier weergegeven door rodere of blauwere kleuren). Astrofysici gebruikten de afstand tussen deze variaties om een ​​nieuwe schatting voor de leeftijd van het universum te berekenen. Krediet: ACT-samenwerking


Als wetenschappers kunnen schatten hoe ver licht van de CMB zich heeft afgelegd om de aarde te bereiken, kunnen ze de leeftijd van het universum berekenen. Dat is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan. Kosmische afstanden tot de aarde inschatten is moeilijk. Dus in plaats daarvan meten wetenschappers de hoek aan de hemel tussen twee verre objecten, waarbij de aarde en de twee objecten een kosmische driehoek vormen. Als wetenschappers ook de fysieke scheiding tussen die objecten kennen, kunnen ze de geometrie van de middelbare school gebruiken om de afstand van de objecten tot de aarde te schatten.

Subtiele variaties in de gloed van de CMB bieden ankerpunten om de andere twee hoekpunten van de driehoek te vormen. Die variaties in temperatuur en polarisatie waren het gevolg van kwantumfluctuaties in het vroege heelal, die door het uitdijende heelal werden versterkt tot gebieden met verschillende dichtheid. (De dichtere plekken zouden clusters van sterrenstelsels gaan vormen.) Wetenschappers hebben een voldoende groot begrip van de vroege jaren van het universum om te weten dat deze variaties in de CMB normaal gesproken elke miljard lichtjaar uit elkaar zouden moeten zijn voor de temperatuur en de helft voor polarisatie. (Op schaal: ons Melkwegstelsel heeft een diameter van ongeveer 200.000 lichtjaar.)

ACT heeft de CMB-fluctuaties gemeten met een ongekende resolutie en heeft daarbij de polarisatie van het licht nader bekeken. "De Planck-satelliet heeft hetzelfde licht gemeten, maar door de polarisatie in hogere getrouwheid te meten, onthult de nieuwe foto van ACT meer van de oudste patronen die we ooit hebben gezien", zegt Suzanne Staggs, hoofdonderzoeker van ACT aan de Princeton University.

Terwijl ACT doorgaat met het maken van waarnemingen, zullen astronomen een nog duidelijker beeld hebben van de CMB en een nauwkeuriger idee hebben van hoe lang geleden de kosmos begon. Het ACT-team zal die waarnemingen ook doorzoeken op tekenen van fysica die niet passen in het standaard kosmologische model. Dergelijke vreemde fysica zou het meningsverschil tussen de voorspellingen van de leeftijd en de expansiesnelheid van het universum die voortvloeien uit de metingen van de CMB en de bewegingen van sterrenstelsels, kunnen oplossen.

Het ACT-team is een internationale samenwerking, met wetenschappers van 41 instellingen in zeven landen, waarin Cornell University een essentiële rol speelt. Cornell-onderzoekers hielpen bij de ontwikkeling van de ACT-optica, detectorarrays, onderzoeksstrategie, software-infrastructuur en gegevensanalysetools. Niemack leidde de ontwikkeling van de Advanced ACTPol-detectorarrays en is lid van de ACT-gids. ACT wordt ondersteund door de National Science Foundation en bijdragen van aangesloten instellingen.

https://as.cornell.edu/news/new-view-na ... verses-age