Μηδενίζοντας την αβεβαιότητα της σταθεράς του Hubble

Πηγή: Ίδρυμα Carnegie, 5 Ιανουαρίου 2009

Στις αρχές του 20ου αιώνα, ο αστρονόμος Edwin Hubble ανακάλυψε ότι το σύμπαν επεκτείνεται. Ο ρυθμός διαστολής του Κόσμου είναι γνωστός ως σταθερά του Hubble H₀ . Η ακριβής τιμή της σταθεράς H₀ έχει γίνει θέμα πολλών συζητήσεων όλα αυτά τα 80 χρόνια. Γιατί η τιμή της σταθεράς του Hubble είναι ένα στοιχείο κλειδί για τον προσδιορισμό της ηλικίας και του μεγέθους του σύμπαντος.

Το 2001 μια ομάδα με επικεφαλής την αστρονόμο Wendy Freedman - ως τμήμα του Hubble Key Project, καθόρισε με ακρίβεια τις αποστάσεις μεμονωμένων μακρινών γαλαξιών και μπόρεσε έτσι να προσδιορίσει ότι το σύμπαν επεκτείνεται με ρυθμό 72 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο και ανά megaparsec (1 megaparsec είναι 3,26 έτη φωτός).

Ενώ η συζήτηση είχε προηγουμένως κορυφωθεί για την αβεβαιότητα της σταθεράς του Hubble, η Freedman και η ομάδα της μειώνει αυτή την αβεβαιότητα σε μόλις 10%. Αυτή δε η αβεβαιότητα πρόκειται να μειωθεί τώρα στο 3% με το νέο Carnegie Hubble Program (CHP) χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer. Η Freedman, θα καθοδηγήσει αυτή την ομάδα εργασίας στην οποία συμμετέχουν οι Barry Madore,  Eric Persson και Jane Rigby.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο σήμερα λαμβάνει εικόνες και φάσματα - σαν τα χημικά δακτυλικά αποτυπώματα - των αντικειμένων εντοπίζοντας τη θερμότητα τους, ή την ακτινοβολία υπέρυθρου (IR), με μήκος κύματος μεταξύ 3 και 180 μικρών. Η περισσότερη υπέρυθρη ακτινοβολία κόβεται από την ατμόσφαιρα της Γης και, επομένως, θα πρέπει να ανιχνεύεται από το διάστημα.

Το Hubble Key Project είχε παρατηρήσει μακρινά αντικείμενα που παρατηρούνται κυρίως στα οπτικά μήκη κύματος. Στην μετά-κρυογονικά φάση του, που θα αρχίσει τον Απρίλιο του 2009, το Spitzer θα έχει εξαντλήσει το ψυκτικό υγρό ήλιο αλλά θα εξακολουθούν να λειτουργούν ακόμα δύο από τους ανιχνευτές απεικόνισης, που είναι ευαίσθητοι στο εγγύς υπέρυθρο. Αυτό το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, έχει πολλά πλεονεκτήματα, ιδίως όταν παρατηρούνται τα μεταβλητό αστέρια οι Κηφείδες, τα λεγόμενα "πρότυπο κεριά" που χρησιμοποιούνται για να μετρηθούν αποστάσεις σε μακρινούς γαλαξίες.

"Η δύναμη του Spitzer," εξήγησε η Freedman, "θα μας επιτρέψει να εξαλείψουμε την θολότητα και τα φαινόμενα συσκότισης από την σκόνη. Θα μας προσφέρει μάλιστα την δυνατότητα να κάνουμε τις πιο ακριβείς μετρήσεις που έχουν γίνει ποτέ των αποστάσεων των Κηφειδών, και έτσι θα μειώσουμε την αβεβαιότητα της σταθεράς του Hubble σε μονοψήφιο ποσοστό. "

Οι Κηφείδες είναι εξαιρετικά φωτεινά και παλλόμενα αστέρια. Οι περίοδοι των παλμών έχουν άμεση σχέση με την εγγενή τους φωτεινότητα. Έτσι, με τη μέτρηση των περιόδων, της φαινόμενης λαμπρότητας τους,  τις αποστάσεις τους, και ως εκ τούτου μπορεί να προσδιοριστεί η απόσταση του μητρικού τους γαλαξία. Καθορίζοντας τον ρυθμό με τον οποίο οι γαλαξίες απομακρύνονται ολοένα και πιο γρήγορα από εμάς στο σύμπαν, μπορούμε ακολούθως να υπολογίσουμε τη σταθερά του Hubble καθώς και το μέγεθος και την ηλικία του σύμπαντος.

Μία από τις μεγαλύτερες αβεβαιότητες που μαστίζουν τις τελευταίες μετρήσεις της σταθεράς του Hubble είναι η απόσταση από το Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου (LMC), ένας σχετικά κοντινός μας γαλαξίας που είναι σε τροχιά γύρω από τον Γαλαξία. Η Freedman θα αρχίσει 700 ώρες παρατηρήσεις για να βελτιώσει την απόσταση που ξέρουμε από το LMC, χρησιμοποιώντας τις νέες αποστάσεις των Κηφειδών που βασίζονται σε παρατηρήσεις παρόμοιων άστρων στο δικό μας Γαλαξία από τον δορυφόρο Spitzer. Στη συνέχεια η ομάδα της θα μετρήσει τις αποστάσεις των Κηφειδών σε όλους τους γειτονικούς γαλαξίες, που παρατηρήθηκαν στο παρελθόν από το έδαφος, τον τελευταίο αιώνα. Η τοπική ομάδα γαλαξιών στη γειτονιά μας, αποτελείται από 40 περίπου γαλαξίες. Η ερευνητική ομάδα της Freedman θα είναι σε θέση να διορθώσει τις αβεβαιότητες που υπάρχουν από τις παρατηρήσεις στο εγγύς υπέρυθρο. Οι νέες παρατηρήσεις με τον Spitzer θα αρχίσουν τον Ιούνιο του 2009 και θα συνεχιστούν τουλάχιστον για τα επόμενα δύο χρόνια.

"Στην εποχή της ακριβούς κοσμολογίας ένας από τους βασικούς παράγοντες για την εξασφάλιση των θεμελιωδών αριθμών που περιγράφουν την εξέλιξη και τη σύνθεση του σύμπαντος είναι η σταθερά Hubble. Το 10% δεν είναι αρκετό. Οι κοσμολόγοι πρέπει να γνωρίζουν το ρυθμό διαστολής του Κόσμου με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια", παρατήρησε ο συνερευνητής της Freedman, Barry Madore.

Υπολογισμοί που έγιναν για την σταθερά του Hubble με τη βοήθεια των δεδομένων από τον δορυφόρο WMAP το 2003, σε συνδυασμό με άλλα αστρονομικά στοιχεία έδωσαν την τιμή στη σταθερά H₀ = 70.1 ± 1.3 (km/s)/Mpc.

Αυτή η τιμή είναι κοντά στην τιμή H₀ = 72 ± 8 km/s/Mpc που βρήκε το 2001 ο δορυφόρος Hubble.

Τον Αύγουστο του 2006, μια λιγότερη ακριβής ανεξάρτητη μέτρηση με το Παρατηρητήριο της NASA Chandra των ακτίνων-Χ έδωσε: H₀ = 77 km/s/Mpc ή σχεδόν 2.5×10⁻¹⁸ s⁻¹ με μια αβεβαιότητα ± 15%.

Συνοπτικά τα υπάρχοντα δεδομένα της NASA δείχνουν μια σταθερά 70.8 ± 1.6 km/s/Mpc αν ο χωρόχρονος υποτεθεί ότι είναι επίπεδος ή 70.8 ± 4.0 km/s/Mpc αν δεν είναι ή αλλιώς 2.3×10⁻¹⁸ s⁻¹ . Και επειδή το αντίστροφο της σταθεράς Hubble είναι η ηλικία του σύμπαντος, παίρνουμε ότι η ηλικία του Κόσμου είναι 13.8 δισεκατομμυρίων ετών.