tego lipcowego poranka w pokoju z utrudnionym widokiem na Pacyfik, Riess zdawał się mieć na oku drugą nagrodę Nobla. Wśród 100 ekspertów w tłumie — zaproszonych przedstawicieli wszystkich głównych projektów kosmologicznych, wraz z teoretykami i innymi zainteresowanymi specjalistami-nikt nie mógł zaprzeczyć, że jego szanse na sukces znacznie się poprawiły w piątek wcześniej.

przed konferencją zespół kosmologów nazywających się H0LiCOW opublikował swój nowy pomiar szybkości ekspansji Wszechświata. W świetle sześciu odległych kwazarów H0LiCOW wyznaczył H0 na 73,3 km / s na megaparsek-znacznie wyższy niż przewidywał Planck. Ważne było, jak blisko h0licow ’ s 73.3 spadł do pomiarów H0 przez SH0ES-zespół prowadzony przez Riessa. SH0ES mierzy Kosmiczną ekspansję za pomocą „kosmicznej drabiny odległości”, stopniowej metody pomiaru odległości kosmologicznych. Ostatni pomiar SH0ES w marcu wykazał H0 na 74.0, dobrze w granicach marginesów błędu H0LiCOW.

„moje serce było rozpalone”, powiedział mi Riess, o swoim wczesnym spojrzeniu na wynik H0LiCOW dwa tygodnie przed Santa Barbara.

przez sześć lat zespół SH0ES twierdził, że znalazł rozbieżność z przewidywaniami opartymi na wczesnym Wszechświecie. Teraz, połączone pomiary SH0ES i H0LiCOW przekroczyły statystyczny próg znany jako „pięć sigma”, co zazwyczaj oznacza odkrycie nowej fizyki. Jeśli stała Hubble ’ a nie wynosi 67, ale w rzeczywistości 73 lub 74, to ΛCDM czegoś brakuje — jakiegoś czynnika przyspieszającego ekspansję Kosmiczną. Ten dodatkowy składnik dodany do znanej mieszanki materii i energii dałby lepsze zrozumienie kosmologii niż raczej mdła teoria ΛCDM.

podczas swojego przemówienia Riess powiedział o zatoce między 67 A 73 rokiem życia: „ta różnica wydaje się być silna.”

” wiem, że nazywaliśmy to „ciągłym napięciem Hubble 'a”, dodał ” Ale czy możemy jeszcze nazwać to problemem?”

zadał pytanie do laureata Nagrody Nobla Davida Grossa, fizyka cząstek elementarnych i byłego dyrektora Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP), gdzie odbyła się konferencja.

„nie nazwalibyśmy tego napięciem czy problemem, ale raczej kryzysem” – powiedział Gross.

„to mamy kryzys.”

dla tych, którzy próbują zrozumieć kosmos, kryzys jest szansą na odkrycie czegoś wielkiego. Lloyd Knox, członek zespołu Plancka, przemówił po Riessie. „Może ciągłe napięcie Hubble’ a jest ekscytującym załamaniem ΛCDM, którym wszyscy byliśmy, lub wielu z nas było, czekając i mając nadzieję” – powiedział.

the Hubble Constant Surd

Kiedy rozmowy dobiegły końca, wielu uczestników zapchało się do furgonetki zmierzającej do hotelu. Przejechaliśmy obok palm z oceanem po prawej i górą Santa Ynez po lewej stronie. Wendy Freedman, odznaczona weteranka Hubble ’ a, zasiadła w drugim rzędzie. Szczupła, spokojna 62-letnia kobieta, Freedman przewodziła zespołowi, który dokonał pierwszego pomiaru H0 z dokładnością do 10%, osiągając wynik 72 w 2001 roku.

kierowca, Młody, brodaty Kalifornijczyk, usłyszał o kłopotach Hubble ’ a i problemie, jak to nazwać. Zamiast napięcia, problemu czy kryzysu zasugerował „surd”, czyli bezsensowne lub irracjonalne. Hubble constant surd.

Freedman wydawał się jednak mniej roztropny niż przeciętny konferansjer o pozornej rozbieżności i nie był gotowy nazwać jej realną. – Mamy więcej pracy do zrobienia-powiedziała cicho, prawie wypowiadając słowa.

Freedman spędził dziesięciolecia doskonaląc pomiary H0 przy użyciu metody cosmic distance ladder. Przez długi czas kalibrowała szczeble swojej drabiny przy użyciu gwiazd cefeid — tych samych pulsujących gwiazd o znanej jasności, które SH0ES używa również jako” standardowe świece ” w swojej kosmicznej drabinie odległości. Ale martwi się nieznanymi źródłami błędów. – Wie, gdzie są zakopane wszystkie szkielety-powiedział Barry Madore, mąż Freedmana z białym wąsem i bliski współpracownik, który usiadł z przodu obok kierowcy.

Freedman powiedziała, że dlatego ona, Madore i ich program Carnegie-Chicago Hubble (CCHP) wyruszyli kilka lat temu, aby użyć gwiazd „tip of the red giant branch” (TRGBs) do kalibracji nowej kosmicznej drabiny odległości. TRGBs są tym, w co gwiazdy takie jak nasze Słońce na krótko zmieniają się pod koniec życia. Wzdęte i czerwone, stają się jaśniejsze i jaśniejsze, aż osiągną charakterystyczną szczytową jasność spowodowaną nagłym zapłonem helu w ich rdzeniach. Freedman, Madore i Myung Gyoon Lee po raz pierwszy zwrócili uwagę w 1993 roku, że te szczytowe czerwone olbrzymy mogą służyć jako standardowe świece. Teraz Freedman kazał im pracować. Kiedy rozładowywaliśmy się z Vana, zapytałem ją o zaplanowaną rozmowę. „Jutro druga rozmowa po obiedzie”

„Bądź tam”, powiedział Madore, z błyskiem w oku, gdy się rozstaliśmy.

kiedy weszłam do pokoju hotelowego i sprawdziłam Twittera, odkryłam, że wszystko się zmieniło. Freedman, Madore i ich zespół CCHP właśnie upadli. Używając gwiazd typu tip-of-the-red-giant-branch, ustalili stałą Hubble’ a na 69,8 — szczególnie krótko od pomiaru SH0ES 'a 74,0 przy użyciu cefeidy i h0licow’ a 73.3 od kwazarów, a ponad połowę do przewidywań Plancka 67,4. „Wszechświat po prostu się z nami drażni w tym momencie, prawda?”jeden astrofizyk napisał na Twitterze. Robiło się coraz surd.

Dan Scolnic, młody członek SH0ES z Duke University, powiedział, że on, Riess i dwóch innych członków zespołu spotkali się, „próbując dowiedzieć się, co było w gazecie. Adam i ja poszliśmy na kolację i byliśmy dość zakłopotani, ponieważ w tym, co widzieliśmy do tej pory, cefeidzi i Trgb byli w bardzo dobrej zgodzie.”

wkrótce zapoznali się z kluczową zmianą w artykule: nowym sposobem pomiaru skutków pyłu podczas pomiaru wewnętrznej jasności TRGBs — pierwszego szczebla kosmicznej drabiny odległości. „Mieliśmy kilka pytań na temat tej nowej metody,” scolnic powiedział. Podobnie jak inni uczestnicy rozsiani po całym Best Western Plus, z niecierpliwością oczekiwali wykładu Freedmana następnego dnia. Scolnic napisał (a): jutro zapowiada się ciekawie.”

aby zbudować drabinę odległości

napięcie, problem, kryzys, surd — istnieje stała Hubble 'a coś przez 90 lat, odkąd wykresy amerykańskiego astronoma Edwina Hubble’ a dotyczące odległości i prędkości galaktyk wykazały, że przestrzeń i wszystko w niej oddala się od nas (mimo własnej odmowy Hubble ’ a przyjęcia tego wniosku). Jedno z największych odkryć kosmologicznych wszech czasów, ekspansja kosmiczna implikuje, że wszechświat ma skończony wiek.

stosunek prędkości obrotowej obiektu do jego odległości daje stałą Hubble ’ a. Ale o ile łatwo jest stwierdzić, jak szybko gwiazda lub galaktyka się oddala — wystarczy zmierzyć przesunięcie dopplerowskie swoich częstotliwości, efekt podobny do syreny spadającej w tonie, gdy karetka odjeżdża, o wiele trudniej jest określić odległość szczypty światła na nocnym niebie.

To Henrietta Leavitt, jedna z ludzkich „komputerów” w Harvard College Observatory, odkryła w 1908 roku, że Gwiazdy cefeidy pulsują z częstotliwością proporcjonalną do ich jasności. Duże, jasne cefeidy pulsują wolniej niż małe, słabe (tak jak duży akordeon jest trudniejszy do ściśnięcia niż mały). Z pulsacji odległej cefeidy można odczytać, jak bardzo jest ona jasna. Porównaj to z tym, jak słaba jest gwiazda, i możesz określić jej odległość — i odległość galaktyki, w której się znajduje.

w latach 20.XX wieku Hubble użył prawa cefeidy i Leavitta, aby wywnioskować, że Andromeda i inne „mgławice spiralne” (jak były znane) są oddzielnymi galaktykami, daleko poza naszą Drogą Mleczną. To po raz pierwszy ujawniło, że droga Mleczna nie jest całym wszechświatem — że wszechświat jest w rzeczywistości niewyobrażalnie rozległy. Następnie Hubble wykorzystał cefeidy do dedukcji odległości do pobliskich galaktyk, co, wykreślając ich prędkości, ujawniło Kosmiczną ekspansję.

Hubble przecenił prędkość na 500 kilometrów na sekundę na megaparsek, ale liczba ta spadła, ponieważ kosmolodzy używali cefeid do kalibracji coraz dokładniejszych kosmicznych drabin odległości. Od lat 70. wybitny kosmolog obserwacyjny i protegowany Hubble ’ a Allan Sandage twierdził, że H0 ma około 50 lat. Jego rywale, opierając się na różnych obserwacjach astronomicznych, osiągnęli wartość około 100. Vitriolic 50-versus-100 debata szalała na początku lat 80 – tych, kiedy Freedman, Młody Kanadyjczyk pracujący jako postdoc w obserwatoriach Carnegie w Pasadenie w Kalifornii, gdzie również pracował Sandage, postanowił poprawić kosmiczne drabiny dystansowe.

aby zbudować drabinę odległości, zaczynasz od kalibracji odległości do gwiazd o znanej jasności, takich jak cefeidy. Te standardowe świece mogą być używane do pomiaru odległości do słabszych cefeidów w odległych galaktykach. Daje to odległości „supernowych typu 1a” w tych samych galaktykach-przewidywalne wybuchy gwiazd, które służą jako znacznie jaśniejsze, choć rzadsze, standardowe świece. Następnie używasz tych supernowych do pomiaru odległości do setek odległych supernowych w galaktykach, które swobodnie poruszają się w strumieniu kosmicznej ekspansji, znanym jako „przepływ Hubble’ a.”Są to supernowe, których stosunek prędkości do odległości daje H0.

ale chociaż standardowa słabość świecy ma wskazywać jej odległość, pył również przyciemnia Gwiazdy, sprawiając, że wyglądają dalej niż są. Tłoczenie przez inne gwiazdy może sprawić, że będą wyglądać jaśniej (a tym samym bliżej). Co więcej, nawet rzekome Gwiazdy ze świecami standardowymi mają nieodłączne różnice ze względu na wiek i metaliczność, które muszą zostać skorygowane. Freedman opracował nowe metody radzenia sobie z wieloma źródłami błędów systematycznych. Kiedy zaczęła otrzymywać wartości H0 wyższe od wartości Sandage ’ a, stał się antagonistyczny. W 2017 roku powiedziała mi: Niemniej jednak, w latach 90. zmontowała i poprowadziła Hubble Space Telescope Key Project, misję wykorzystania nowego teleskopu Hubble ’ a do pomiaru odległości do cefeid i supernowych z większą dokładnością niż kiedykolwiek wcześniej. Wartość H0 wynosząca 72, którą jej zespół opublikował w 2001 roku, podzieliła różnicę w debacie 50-versus-100.

Freedman został dyrektorem obserwatoriów Carnegie dwa lata później, stając się szefem Sandage. Była łaskawa, a on zmiękł. Ale” aż do śmierci”, powiedziała, „wierzył, że stała Hubble’ a ma bardzo niską wartość.”

kilka lat po pomiarze Freedmana z dokładnością 72 do 10%, Riess, który jest profesorem na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, wziął udział w grze o Kosmiczną drabinkę dystansową, próbując przybić H0 w granicach 1% w nadziei na lepsze zrozumienie ciemnej energii, którą wspólnie odkrył. Od tego czasu jego zespół SH0ES systematycznie dokręcał szczeble drabiny-szczególnie pierwszy i najważniejszy: krok kalibracyjny. Jak to ujął Riess: „jak daleko jest cokolwiek? Potem życie staje się łatwiejsze; mierzysz względne rzeczy.”SH0ES wykorzystuje obecnie pięć niezależnych sposobów pomiaru odległości do swoich kalibratorów cepheid. „Wszyscy zgadzają się całkiem dobrze, a to daje nam dużo pewności siebie” – powiedział. Po zebraniu danych i udoskonaleniu analizy liczba błędów w okolicach H0 spadła do 5% w 2009 r., następnie do 3,3%, następnie do 2,4%, a następnie do 1,9% w marcu.

tymczasem, od 2013 roku, coraz bardziej precyzyjne iteracje mapy tła kosmicznego mikrofalowego zespołu Plancka umożliwiły mu ekstrapolację wartości H0 coraz bardziej precyzyjnie. W swojej analizie z 2018 r. Planck stwierdził, że H0 wynosi 67,4 z dokładnością do 1%. Z Planck i SH0ES więcej niż” cztery sigma ” od siebie, rozpaczliwa potrzeba niezależnych pomiarów.

Tommaso Treu, jeden z założycieli H0LiCOW i profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, marzył od czasów studenckich w Pizie o mierzeniu stałej Hubble ’ a za pomocą kosmografii z opóźnieniem czasowym-metody, która całkowicie pomija szczeble kosmicznej drabiny odległości. Zamiast tego, bezpośrednio określasz odległość do kwazarów — migotliwych, świecących centrów odległych galaktyk-poprzez skrupulatny pomiar opóźnienia czasowego między różnymi obrazami kwazaru, które tworzą się, gdy jego światło wygina się wokół interferującej materii.