「ハッブル張力」は、観測された宇宙の膨張率と期待される宇宙の膨張率の差を表します。ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、ハッブル宇宙望遠鏡によって行われた以前の測定を改良しました。進歩にもかかわらず、宇宙の急速な膨張とその根底にある宇宙現象については疑問が残っています。
NASA の NIRCam (近赤外線カメラ) とハッブルの WFC3 (広視野カメラ 3) による包括的な観測により、渦巻銀河 NGC 5584 は地球から 7,200 万光年離れていることが示されています。 NGC 5584 の輝く星の中には、セファイド変光星と呼ばれる脈動星や、特殊なタイプの爆発星である Ia 型超新星があります。天文学者は、宇宙の膨張率を測定するための信頼できる距離マーカーとしてセファイドと Ia 型超新星を使用しています。画像出典: NASA、ESA、CSA、A.Riess (STScI)
ハッブル定数として知られる宇宙の膨張率は、宇宙の進化と最終的な運命を理解するための基本的なパラメーターの 1 つです。しかし、さまざまな独立した距離測定基準を使用して測定された定数の値とビッグバンの残光から予測された値との間には、「ハッブル張力」として知られる永続的な不一致が存在します。
NASA のジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡は、この緊張を示す最も強力な観測証拠のいくつかをレビューし、改良するための新しい機能を提供します。ジョンズ・ホプキンス大学と宇宙望遠鏡科学研究所のノーベル賞受賞者アダム・リース氏は、ハッブル定数の局所測定の精度を向上させるためにウェッブ観測を使用した同氏と同僚による最近の研究について説明した。
宇宙の測定への挑戦
視界の端にある標識が見えにくくなったことがありますか?それは何と言っていますか？これはどういう意味ですか？最も強力な望遠鏡を使用しても、天文学者が読み取ろうとしている「兆候」は非常に小さく見えるため、私たちは苦労します。
宇宙学者が解読したいと考えている署名は、宇宙速度制限の署名です。これは、宇宙がどれだけの速度で膨張しているかを教えてくれます。ハッブル定数と呼ばれる数値です。私たちの星座は、遠くの銀河の星々に書き込まれています。これらの銀河の特定の星の明るさは、それらが私たちからどれだけ離れているか、したがってこの光が私たちに届くまでにどれくらい時間がかかるかを教えてくれます。一方、銀河の赤方偏移は、その間に宇宙がどれだけ膨張したかを示し、したがって膨張率を教えてくれます。
この図は、NASA のハッブル宇宙望遠鏡とウェッブ宇宙望遠鏡を組み合わせて、宇宙の膨張率の校正に使用される特別なクラスの変光星までの正確な距離を決定する能力を示しています。これらのセファイドは、混雑した星空の中に現れます。周囲の星からの光害により、セファイドの明るさの測定の精度が低下する可能性があります。ウェッブ氏のより鮮明な赤外線視覚により、右に示すように、セファイドのターゲットを周囲の星からより明確に分離することができます。ウェッブのデータは、ハッブルによる 30 年間にわたるセファイド観測の精度を裏付けています。これらの観測は、宇宙の膨張率を測定する宇宙距離のはしごの最下段を確立する上で重要でした。左側では、NGC 5584 がウェッブの NIRCam (近赤外線カメラ) とハッブルの広視野カメラ 3 からの合成画像に表示されています。画像ソース: NASA、ESA、A.Riess(STScI)、W.Yuan(STScI)
特別な種類の星であるセファイド変光星は、これらの星が非常に明るいため、1 世紀以上にわたって最も正確な距離測定を可能にしてきました。これらの星は超巨星であり、太陽の 10 万倍も明るいからです。さらに、それらは数週間にわたって脈動 (つまり、サイズが拡大および縮小) するため、相対的な明るさを示します。周期が長ければ長いほど、本質的に明るくなります。これらは、1 億光年以上の銀河までの距離を測定するための代表的なツールであり、ハッブル定数を決定するための重要なステップです。残念なことに、私たちの遠くの視点から見ると、銀河内の星は狭い空間に密集しているため、私たちはそれらの星を視線上の隣の星から分離するための解像度を欠いていることがよくあります。
ハッブルの貢献とウェッブの進歩
ハッブル宇宙望遠鏡を建設した主な理由の 1 つは、この問題を解決することでした。 1990 年のハッブルの打ち上げとそれに続くセファイドの測定が行われるまで、宇宙の膨張速度は非常に不確実であったため、天文学者たちは宇宙が 100 億年にわたって膨張し続けてきたのか、それとも 200 億年にわたって膨張し続けてきたのか確信が持てませんでした。これは、膨張速度が速いと宇宙はより若くなり、膨張速度が遅いと宇宙はより古いからです。ハッブルは、地球の大気によるぼやけの影響を受けずに位置するため、地上の望遠鏡よりも可視波長の解像度が優れています。したがって、1億光年以上離れた銀河にある個々のセファイドを識別し、明るさが変化する時間間隔を測定することができます。
ただし、間にある塵を無傷で通過する光を見るには、スペクトルの近赤外線部分でもセファイドを観察する必要があります。 (塵は青色光を吸収および散乱するため、遠くにある物体が暗く見え、実際よりも遠くにあると私たちに信じ込ませます)。残念なことに、ハッブルの赤色光の視界は青色ほど鮮明ではないため、セファイド星から見える星の光は視野内の他の星と混ざり合っています。医師が体重計の読み取り値から衣類の平均重量を引いて体重を計算するのと同じように、平均混合値を統計的に解釈することもできますが、そうすると測定値にノイズが追加されてしまいます。 , なぜなら、ある人の服は他の人よりも重いからです。
しかし、鋭い赤外線視覚は、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡の超能力の 1 つです。大きな鏡と高感度の光学系を備えているため、セファイド光をほとんど混合せずに隣接する星から簡単に分離できます。 1685 年のウェッブ宇宙観測プログラムの運用初年度に、私たちはいわゆる宇宙距離のはしごに沿って 2 段階でハッブルによって発見されたセファイドの観測を収集しました。最初のステップには、既知の幾何学的距離にある銀河内のセファイドを観察することが含まれます。これにより、セファイドの真の光度を校正することができます。私たちの目的では、その銀河は NGC 4258 です。第 2 のステップは、最近の Ia 型超新星の母銀河内のセファイド変光星を観測することです。最初の 2 つのステップを組み合わせることで、超新星に距離の知識が伝達され、真の光度が調整されます。 3 番目のステップは、宇宙の膨張が顕著な遠方の超新星を観測することです。これは、その明るさから推定される距離と超新星の母銀河の赤方偏移を比較することで測定できます。この一連のステップは距離ラダーと呼ばれます。
私たちは最近、ステップ 1 と 2 で最初のウェッブ測定値を取得しました。これにより、近赤外波長における天文台の分解能により、距離ラダーを完了し、以前のハッブル測定値と比較することができました (図を参照)。この改善は天文学者が夢見ていたものです。最初の 2 つのステップで 320 個以上のセファイドを観察しました。初期のハッブル宇宙望遠鏡の測定は、ノイズはあったものの正確であったことが確認されました。ウェッブを使用して他の 4 つの超新星母も観察しましたが、サンプル全体で同様の結果が見られました。
距離測定のためのセファイド変光星の周期と光度の関係の比較。赤い点は NASA のウェッブから、灰色の点は NASA のハッブルからのものです。上のパネルは Ia 型超新星母である NGC 5584 で、挿入図は各望遠鏡で観測された同じセファイド変光星の画像マーカーを示しています。下のパネルは、幾何学的距離が既知の銀河である NGC 4258 です。挿入図は、各望遠鏡で測定された NGC 5584 と NGC 4258 の間の距離係数の違いを示しています。 2 つの望遠鏡間の一致は非常に良好です。画像出典: NASA、ESA、A. Riess (STScI) および G. Anand (STScI)
ハッブル張力の持続の謎
この結果は、宇宙がなぜこれほど急速に膨張しているのかをまだ説明していません。私たちは、宇宙の赤ちゃんの画像 (宇宙マイクロ波背景放射) を見て、宇宙がどのくらいの速さで膨張しているかを予測することができ、その後、宇宙が時間の経過とともにどのように成長してきたかを示す最良のモデルを使用して、今日の宇宙がどのくらいの速さで膨張しているかを知ることができます。現在の膨張率の測定値が予測を大きく上回っているという事実は、「ハッブル張力」として知られる10年来の問題です。最も興味深い可能性は、緊張が宇宙を理解する上で欠けている手がかりの一部であるということです。
それは、エキゾチックなダークエネルギー、エキゾチックなダークマターの存在、重力についての私たちの理解の修正、または独特の粒子や場の存在を示す可能性があります。より一般的な説明は、複数の測定誤差が同じ方向に共謀したというものです (天文学者は独立した手順を使用して個々の誤差を除外します)。そのため、より忠実度の高い測定をやり直すことが非常に重要です。ウェッブ氏によるハッブルの測定の確認により、ウェッブの測定は、ハッブルのセファイド測光における系統的誤差が現在のハッブルの張力に重要な役割を果たしていないことを示す最も強力な証拠を提供することになる。その結果、さらに興味深い可能性が残り、緊張の謎が深まります。
この記事では、The Astrophysical Journal に受理された論文のデータを取り上げます。