Astronomie

Die Ausdehnung des Universums und wie immer noch Sterne und Galaxien kollidieren

Die Ausdehnung des Universums und wie immer noch Sterne und Galaxien kollidieren


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Wie kann es sein, dass sich alle Galaxien und Sterne voneinander entfernen und trotzdem kollidieren? Von dem, was ich als offenes Universum (oder viele offene Universen) erforscht habe, verblüfft mich die Vorstellung, dass Sterne und Galaxien kollidieren.


Einfach und direkt. Objekte, die sich voneinander entfernen, können sich immer noch kreuzen. "Erweiterung ist ein Allgemeines Richtung, keine bestimmte Flugbahn.


Die Galaxien und Sterne sind nicht alle entfernen sich voneinander. Der Raum zwischen ihnen dehnt sich aus, was jedoch ihre Flugbahn nicht beeinflusst. Die Andromeda-Galaxie wird sich beispielsweise mit der Milchstraße kreuzen, woraufhin wir uns als die einfallslose "Milkdromeda" zusammenschließen. Wenn sich der Weltraum ausdehnt, wächst er immer schneller, was schließlich zu einem "Inseleffekt" führen wird, bei dem sich der Raum zwischen den Galaxien schneller als das Licht ausdehnt, woraufhin alles außerhalb unserer Galaxie für immer dunkel wird.


Die Expansion wird in geringem Umfang durch die Schwerkraft aufgehoben. Unsere Galaxie dehnt sich nicht aus und die Sterne sind miteinander verbunden. Tatsächlich ein Ganzes Gruppe der Galaxien bemerken die Gesamtausdehnung nicht.


Ep. 597: Die Expansion des Universums (aktualisiert)

Es ist schon eine Weile her, dass wir überprüft haben, ob sich das Universum noch ausdehnt. Ja, anscheinend ist das immer noch eine Sache. Aber in den letzten Jahren haben uns leistungsstarke neue Teleskope und umfangreiche Durchmusterungen viel mehr Wissen darüber gegeben, was passiert.

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Transkript

Fraser: Astronomy Cast, Episode 597: The Expansion of the Universe Revisited. Willkommen bei Astronomy Cast, Ihrer wöchentlichen faktenbasierten Reise durch den Kosmos. Wo wir Ihnen helfen zu verstehen, nicht nur, was wir wissen, sondern wie wir wissen, was wir wissen. Ich bin Fraser Cain, Herausgeber von Universe Today. Bei mir ist wie immer Dr. Pamela Gay, leitende Wissenschaftlerin des Planetary Science Institute und Direktorin von CosmoQuest. Hallo Pamela. Wie geht es dir?

Dr. Gay: Mir geht es gut. Wie geht es dir, Fraser?

Fraser: Okay. Hier auf Vancouver Island hat es einen großen Ausbruch von COVID gegeben.

Fraser: Es ist ziemlich schlimm. Die High School meines Sohnes hatte, glaube ich, acht Fälle und sie mussten etwa 90 Personen unter Quarantäne stellen.

Fraser: Es kam in ein Pflegeheim hier in der Region, noch ein paar Schulen. Es ist also wie der schlimmste Fall von COVID. Ich weiß, dass ich froh war, auf einer Insel weit weg von allem zu leben, aber wir müssen uns trotzdem verteidigen. Offensichtlich hat es die Verteidigung durchbrochen und hat hier in meinem Teil von Vancouver Island eine Party gefeiert.

Fraser: Ja. Es ist eine Art Schmerz.

Dr. Gay: Es scheint, als ob sich das herumgesprochen hat. Ich persönlich – wir versuchen, unsere verschiedenen Bereiche unseres Hauses unter Quarantäne zu stellen. Mein Mann hat letztes Wochenende etwas Magenschmerzen bekommen. Nicht der, der gestern war, sondern der, der eine Woche zuvor war und in der Notaufnahme landete, und sie ließen ihn demaskieren und nahmen ihn auf die Station und verlegten ihn unmaskiert zwischen den Abteilungen des Krankenhauses. Sie testeten die Menschen nicht auf COVID, bevor sie sie auf die Station brachten. Also, in aller Fülle der Vorsicht, machen wir – okay. Dies ist Ihr Quadrant des Hauses. Das ist mein Quadrant des Hauses.

Dr. Gay: Und überall sonst maskiert sein, denn leider müssen Sie in meinem Haus den Flur entlang gehen, um die Toilette zu benutzen.

Fraser: Richtig. Sie sehen also zwei Wochen Vorsicht vor. Ja.

Fraser: Denn für euch beide – keiner von euch möchte das bekommen.

Dr. Gay: Nein. Nein. Absolut nicht.

Dr. Gay: Oh, aber wir sind hier, um über Wissenschaft zu diskutieren, was viel spannender ist. Bevor wir das tun, ist dies Ihre Erinnerung: Die neuesten Richtlinien sind – mein Hund hat gerade meine Kopfhörer abgenommen.

Fraser: Das sind nicht die neuesten Richtlinien. Sie kann mich nicht hören, weil ihr Hund ihre Kopfhörer abgenommen hat.

Fraser: Diese Kopfhörer bleiben auf keinen Fall an. Der Hund wird sie jedes Mal ausziehen.

Dr. Gay: Ich habe also ganz zufällig einen Hund zur emotionalen Unterstützung. Ich bekam sie an dem Tag, an dem ich einen Job kündigte, und sie lernte, weil ich sie jedes Mal abholte, wenn ich verärgert war, wie man ein Hund zur emotionalen Unterstützung ist und sie merkte, dass ich verärgert war, über COVID zu sprechen und einfach versuchte, ihren Job zu machen. Aber was ich sagen wollte, sind die neuesten Richtlinien: Tragen Sie eine N95-Maske oder eine K95-Maske mit einer chirurgischen oder Stoffmaske darüber. Also, alle da draußen, bleibt gesund, Doppelmaske. Wir werden das irgendwann irgendwie durchstehen, aber bevor wir es schaffen, werden wir über Wissenschaft sprechen, denn die Wissenschaft geht weiter.

Fraser: Ja. Es ist schon eine Weile her, seit wir eingecheckt haben, um sicherzustellen, dass sich das Universum noch ausdehnt. Ja. Offenbar ist das immer noch so. Aber in den letzten Jahren haben uns leistungsstarke neue Teleskope und umfangreiche Durchmusterungen viel mehr Wissen darüber gegeben, was gerade zu den frühesten Zeiten passiert. Darüber sprechen wir gleich. Aber zuerst machen wir eine Pause.

Und wir sind zurück. Alles klar, Pamela. Nun haben wir natürlich über die Expansion des Universums gesprochen. Die unvermeidliche, ständige Expansion des Universums in den größten Maßstäben.

Fraser: Ja. Der letztendliche Hitzetod, der zu der Zeit, als alle Materie im Universum unglaublich eng zusammengepresst wurde. Aber jeder einzelne Teil dieses Prozesses wird ständig analysiert und dabei tauchen weitere Fragen auf. Neue Studien müssen gemacht werden. Neue Experimente werden gestartet. Neue Instrumente kommen auf. Obwohl wir also ungefähr wissen, dass sich das Universum ausdehnt, gibt es kleine Teile dieses Puzzles – Hunderte, Tausende kleiner Puzzleteile und Wissenschaftler haben auf der ganzen Linie wirklich interessante inkrementelle Entdeckungen und Fortschritte gemacht. Es gibt also einige wirklich interessante neue Fortschritte, über die Sie sprechen wollten.

Dr. Gay: Richtig. Also möchte ich jedem versichern. Auf der größten und breitesten Skala zum Verständnis des Universums haben wir es. Wir haben das.

Fraser: Das Universum dehnt sich aus.

Dr. Gay: Das Universum dehnt sich aus. Wir sehen den kosmischen Mikrowellenhintergrund, der uns sagt, dass das Universum von diesem Ding stammt, das wir den Urknall genannt haben. Wir verstehen, dass Kosmo-Nukleosyntheseauftrat. Wir erhalten die richtigen Verhältnisse der Elemente, die aus The Big Bang kommen. Wo wir in Schwierigkeiten geraten, ist alles, was ein detailliertes Verständnis der Struktur erfordert oder was passiert ist, seit dieser kosmische Mikrowellenhintergrund freigesetzt wurde.

Fraser: Mm-hmm. Lassen Sie uns also über das sprechen – wieder in groben Zügen, wir wissen, dass Sie das Universum haben, das Universum war ein heißer, dichter Zustand, der so weit abgekühlt war, dass es am Anfang undurchsichtig war, weil es so heiß war. Es war wie das Innere eines Sterns. Abgekühlt auf den Punkt, etwa auf die Temperatur eines roten Riesensterns, eines roten Zwergsterns, konnte dieses Licht endlich ins Universum entweichen. Was kam als nächstes?

Dr. Gay: Zu diesem Zeitpunkt war unser Universum also größtenteils ein neutrales Gas. Es war mehr oder weniger von konstanter Dichte, aber die kleinsten Abweichungen zwischen dieser mehr und weniger konstanten Dichte schufen Orte, an denen dunkle Materie und reguläre Materie, der Stoff, aus dem wir bestehen, aus dem unsere Tische bestehen, gravitativ zu einem kollabieren könnten Dichte, die Sterne und Galaxien bilden kann.

Nun, die Zeitskalen, auf denen das passiert ist, sind unser erster Verwirrungspunkt, denn wirklich heißes Gas kann man nicht kollabieren. Wirklich heiße dunkle Materie, die nicht zusammenbrechen wird, nur weil die Energien der einzelnen Teilchen, die durch Wechselwirkungen voneinander abprallen, die Dinge gegen die Schwerkraft ausdehnen und versuchen, die Dinge nach unten zu kollabieren.

Aber irgendwie, zu einem Zeitpunkt, den wir immer noch herausfinden, sind die Dinge zusammengebrochen und hier kommt das Huhn-und-Ei-Problem auf.

Fraser: Richtig. Und um es genauer zu sagen, wir haben diese Situation in der Milchstraße, in der es Gaswolken gibt, kaltes Gas, das vom Urknall übrig geblieben ist, aber es wird kein Stern, weil es nur hängt dort in perfekter Balance.

Fraser: Es braucht einen Kick, ein Event. Heißes Gas, vergiss es. Daraus wird kein Star. Also, was denken wir jetzt, war die Art und Weise, wie das alles ins Rollen kam?

Dr. Gay: Als wir das vor vielen, vielen Jahren zum ersten Mal diskutierten, sagte ich, dass wir genau herausfinden wollten, wie sich Galaxien vergrößerten, wie schnell sich kleine Galaxien bildeten, wie schnell kleine Galaxien zu immer größeren Galaxien verschmolzen. Dann ließen wir die großen Teleskope bauen und begannen mit dem Atacama Large Millimeter Array, mit den MeerKAT-Einrichtungen in Südafrika, mit all den Radioteleskopen in Australien auf die frühesten Momente des Universums zurückzublicken und das haben wir an diesem Punkt entdeckt dass wir dachten, dass sich die kleinsten Galaxien gerade erst ein paar hundert Millionen Jahre, 600 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet hätten. Es gibt bereits perfekt geformte massereiche Galaxien, die herumhängen und ihr massives Galaxien-Ding machen. Also haben wir die Zeitskalen falsch getroffen.

Dr. Gay: Es scheint also, dass Dunkle Materie eine etwas andere Rolle spielt, als wir dachten. Der ursprüngliche Gedanke war, dass leuchtende Materie in diese großen, diffusen Halos aus dunkler Materie fallen und kleine, winzige Systeme bilden würde, weil es keinen einfachen Weg gab, genug Material in diese Halos aus dunkler Materie zu leiten, um Galaxien zu bilden. Nun, anscheinend können Turbulenzen, wenn Material einfällt und sich dabei aufwirbelt, genug Energie abgeben, damit Sie einen turbulenten Kollaps haben können, um diese massereiche Galaxie zu bilden. Okay. Wir haben also die massereiche Galaxie herausgefunden. Und das Coole ist, dass wir die Kühlfilamente davon tatsächlich in neuen Bildern sehen können, die gerade in den letzten Wochen veröffentlicht wurden. Aber dann kommt das Problem, wie man ein supermassereiches Schwarzes Loch schnell genug bildet? Hier beginnen wir entweder mehr Turbulenzen zu denken, oder es gibt Theorien, die zeigen, dass Sie dies mit dunkler Materie tun könnten. Jahrelang…

Fraser: Okay, ich habe ungefähr tausend Fragen und wir kommen gleich darauf.

Fraser: Aber zuerst machen wir eine Pause.

Fraser: Und wir sind zurück. Alles klar. Okay. Supermassiv – okay.

Fraser: Also supermassereiche Schwarze Löcher.

Fraser: Das sind riesige Schwarze Löcher, die millionenfach so groß sind wie die Sonne im Herzen jeder Galaxie. bla bla bla. Das hast du tausendmal gehört.

Fraser: Und dunkle Materie, wir wissen nicht, was das ist.

Fraser: Kann es sich in ein Schwarzes Loch verwandeln? Nun, wahrscheinlich, sicher, denn alles geht in Schwarze Löcher.

Fraser: Wie würdest du dunkle Materie, von der wir nicht einmal wissen, was sie ist, in schwarze Löcher verwandeln, von denen wir nicht einmal wirklich wissen, was sie sind, was in ihnen steckt. Wie würde das funktionieren?

Dr. Gay: Nun, nach einigen der neuesten Theorien, wenn man, sagen wir, eine Milliarde Sonnenmassen dunkler Materie-Teilchen mit einer Masse ähnlich der Masse eines Neutrinos nimmt, und wir beginnen zu denken, dass dunkle Materie wahrscheinlich ziemlich ähnlich wie Neutrinos in welcher Konfiguration es auch ist. Wenn Sie die gesamte Masse zusammenstapeln, wird es natürlich kollabieren. Die Gravitation wird jeden Druck überwinden, der die Dunkle Materie unterstützt, und es ihr ermöglichen, in Zeitskalen, die diesen jüngsten massereichen Galaxien, die wir sehen, entsprechen, in dieses supermassive Schwarze Loch zu kollabieren.

Fraser: Richtig. Ich möchte hier für eine Sekunde nur eine Tangente haben.

Fraser: Das heißt, wenn wir über dunkle Materie sprechen, sprechen wir von diesem seltsamen, unsichtbaren Teilchen, das nur durch seine Masse mit normaler Materie wechselwirkt. Es gibt kein Licht ab und die Leute haben das – ich weiß es nicht. Sie haben diese Antwort. Diese sofortige, reflexartige Reaktion wie: „Das ist unmöglich. Ich mag es nicht. Wissenschaft falsch.“ Aber schau dir das Neutrino an.

Fraser: Das Neutrino ist – passt in fast jeder Hinsicht zur Dunklen Materie. Da es im Wesentlichen unsichtbar ist, durchläuft ein Neutrino im Durchschnitt ein Lichtjahr Blei. Ich nenne das, nicht mit normaler Materie zu interagieren.

Fraser: Theoretisch sollten Sie genug davon zusammenpacken – haben Sie genug Neutrinos und Sie haben etwas Schwerkraft. Wenn Sie mit der Idee von Neutrinos einverstanden sind ...

Dr. Gay: …was wir regelmäßig feststellen.

Fraser: Die wir regelmäßig entdecken, die aber sehr schwierig waren und erst vor relativ kurzer Zeit mit riesigen Experimenten entdeckt wurden und bis dahin nur rein theoretisch waren. Nur die Mathematik hat sie vorhergesagt. Wenn Sie ein Problem mit dunkler Materie haben, aber mit Neutrinos in Ordnung sind, ist es wirklich – sie sind fast dasselbe. Es ist lustig. Es ist nur so, dass einer erkannt wurde und der andere nicht und…

Dr. Gay: Und der eine hat einen Namen, der wie ein Partikel klingt und der andere klingt wie erfunden.

Fraser: Das klingt wie ein Partikel. Ja. Ist das also das Problem?

Fraser: Dass wir einfach – diese Dunkle Materie hat einfach keinen wirklich coolen Namen?

Dr. Gay: Ja. Ich bin bereit, damit zu gehen. Es klingt wie eine Science-Fiction-Show. Tatsächlich war der Name für eine Science-Fiction-Show.

Fraser: Ich weiß. Ich weiß. So okay. Ich habe das Gefühl, endlich zu sein – ich habe gerade eine neue Art entwickelt, darüber zu sprechen. Ich denke, der Punkt ist, dass wir wissen, dass dunkle Materie nicht mit normaler Materie und auch nicht mit sich selbst interagiert.

Fraser: Die einzige Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, dass es sich gleichzeitig in derselben Region mit ausreichender Dichte befindet, um ein Schwarzes Loch zu erzeugen.

Dr. Gay: Genau das ist es. Jedes Mal, wenn Sie genug Masse zusammenbringen, damit die Gravitationsanziehung in Richtung des Zentrums den Druck überwinden kann, der das Material stützt, kollabiert es möglicherweise zu einem Schwarzen Loch. In diesem Fall geschieht dies auf den richtigen Zeitskalen, in den richtigen Massenmengen, und es macht einfach Sinn. Die Idee ist, dass die Dunkle Materie, die den Großteil des Universums ausmacht, in einen so dichten Halo fallen konnte, dass sie schneller zu einem Schwarzen Loch kollabieren könnte, als all das leuchtende Material, das von weit her eindringt, in der Lage war, zusammenzubrechen .

Fraser: Richtig. Und würde aufgrund der Hitze zurückgedrängt werden.

Fraser: Richtig. Wirklich interessant.

Dr. Gay: Es hängt alles von der Dichte des Materials im gesamten Universum ab.

Fraser: Richtig. Was haben Sie noch für uns?

Dr. Gay: Wir haben also auch versucht, die Details herauszuarbeiten, wie man ein Universum aus neutralem Gas nimmt, das ziemlich undurchsichtig ist, man kann nicht hindurchsehen, und man macht es so transparent Universum, das es uns erlaubt, Milliarden und Abermilliarden von Jahren durch Raum und Zeit zu blicken, um all diese Dinge zu sehen? Wir haben versucht, Quasare zu beschuldigen, wir versuchten, die Sternentstehung zu beschuldigen, aber wir brauchten dazu Daten. Das Erstaunliche daran ist, dass wir endlich in der Lage sind, die Teleskope zu bauen, die von der Oberfläche unseres Planeten aus arbeiten, um dies herauszufinden. Dies sollte vom JWST erfolgen, das sich in den letzten 11 Jahren geweigert hat, zu starten.

Fraser: Oktober. 31. Oktober. Es wird passieren. Jetzt sind es nur noch neun Monate. Nicht mal. Sieben Monate weg. Siebeneinhalb.

Dr. Gay: Und wie lange wird es dauern, bis es vollständig in Betrieb genommen und funktionsfähig ist?

Dr. Gay: Es wird länger dauern, von der Erdoberfläche in ihre Umlaufbahn zu gelangen.

Fraser: Alles klar. Alles klar. Fein.

Dr. Gay: Also, all diese wirklich coole Wissenschaft sollte mit dem James Webb Weltraumteleskop gemacht werden und wir sind eine ungeduldige Gruppe, wir Astronomen. Wenn Sie sich weigern, unser Weltraumteleskop fertig zu bauen, suchen wir anscheinend nach anderen Wegen. habe ich nicht. Dafür trage ich keine Verantwortung.

Leute, die viel besser in der Technik sind als ich, haben herausgefunden, wie man bodengestützte Teleskope baut, die in Radiowellen, Submillimeterwellen arbeiten, und während sie diese längeren Wellenlängen des Lichts anwenden, blicken sie zurück auf den Anfang des Universums und sie wieder beginnen, die Entstehung von massereichen Sternen zu messen. Sie beginnen, zu sehen, wie es buchstäblich war, diese ersten Sterne aufzuleuchten, die unser Universum transparent machten, aber was auch wirklich cool war, ist, dass Sie am Ende Materialblasen von frühen Supernovae ausstoßen. Es ist also dieser Doppelschlag von Material, der herausgedrückt wird, sowie die Beleuchtung von den Sternen.

Fraser: Alles klar. Wir werden gleich noch etwas darüber sprechen, aber zuerst ist es Zeit für eine weitere Pause.

Und wir sind zurück. Also ich liebe diese Idee, dass Astronomen einen Weg finden. Selbst wenn das Teleskop, auf das sie angewiesen sind, um in die dunklen Zeiten des Universums zu blicken, ein Jahrzehnt länger als erwartet dauert, weiß ich nicht, dass sie eine völlig neue, erdbasierte Technik entwickeln, die ziemlich kostengünstig ist Radioteleskope. Nur eine große Anzahl von ihnen sitzt in der Wüste Südafrikas, um dieses Mal zu sehen. Also, was ist die Technik, die sie verwenden?

Dr. Gay: Das ist Interferometrie. Es ist eine Möglichkeit, das Licht mehrerer verschiedener kleiner Zielfernrohre zu betrachten und sie miteinander zu kombinieren, um eine viel hochauflösendere Möglichkeit zu schaffen, Dinge zu betrachten. Die Menge an Details, die Sie in allem sehen können, hängt davon ab, wie groß es von Kante zu Kante ist, aber es muss nicht von Kante zu Kante vollständig sein. Sie können also einen Spiegel nehmen und ihn in eine Wabe verwandeln, und seine Fähigkeit, Details zu erkennen, ist genau die gleiche wie bei einem massiven Stück Glas. Es wird viel weniger wiegen und viel weniger Platz einnehmen. Bei optischen Teleskopen tun wir das im Allgemeinen nicht, aber beim Radio werden wir Teleskope über einen ganzen Kontinent verstreuen. Manchmal überall…

Fraser: Manchmal ein Planet.

Dr. Gay: Ja. Genau. Sie möchten nicht so viel mit Funkgeräten abdecken. Um diese sehr hochauflösenden Bilder zu erhalten, kombinieren sie Teleskope, die über Meilen und Kilometer und Kilometer und Meilen verteilt sind. Jedes Teleskop ist in der Lage, eine bestimmte Lichtmenge zu sammeln und da es genug davon gibt, können sie auch sehr schwache Signale erkennen. Sie haben also die Menge an Sammelfläche, die ihnen eine schwache Wirkung verleiht, die Größe von Kante zu Kante bietet eine erstaunliche Auflösung. Setzen Sie alles zusammen, finden Sie einen Tunnel, der zwischen hier und einem entfernten Objekt größtenteils leer ist, und schließlich können Sie dieses entfernte Objekt sehen.

Fraser: Ich möchte nur ein bisschen über die Technik sprechen, die sie verwenden. Gehen sie speziell nach der 22-Zentimeter-Linie? Oder…

Dr. Gay: Nein. Sie suchen also nach einigen der Ionisationslinien, die von der Sternentstehung stammen. Wir sehen also die 21-Zentimeter-Linie von Wasserstoff, die die Wellenlänge des Lichts ist, das wir von Wasserstoffgas und großen, diffusen Wolken sehen. Wir interessieren uns nicht für diese Wolken im frühen Universum. Wir wissen, dass die da sind. Wir sind daran interessiert herauszufinden, was sie ionisiert und so macht, dass wir alles durchschauen können. Hier beginnt es wirklich zu verstehen, wie das Licht von hellen Sternen ausgeht.

Wenn wir Sternenlicht betrachten, können wir es in einen Regenbogen aufteilen. Wir werden dunkle Flecken in diesem Regenbogen sehen, wo Licht von der Atmosphäre des Sterns absorbiert wird, aber wir werden auch helle Linien sehen, entweder von nahegelegenem Gas, das ionisiert wird, oder in einigen Fällen tatsächlich von einigen der Sterne, die Ionisationslinien haben. Es sind diese hellen Linien, diese Emissionslinien, nach denen wir suchen, weil sie vor allem heller sind. Sie sind bei diesen Entfernungen also leichter zu sehen, aber sie bedeuten auch, dass diese Art von Sternentstehung im Gange ist.

Dr. Gay: Das ist es, was das Universum erleuchtet. Komm, sieh mich an.

Fraser: Richtig. Okay. Also, das ist die Technik, was haben sie herausgefunden? Was sind die neuen Entdeckungen, die sie in dieser Zeit machen konnten?

Dr. Gay: Nun, wir finden: Es gibt eine komplexe Struktur um diese Galaxien herum, wie das Gas transparent gemacht wird. Wir haben explodierende Sterne, die in der Lage sind, das Gas zu schocken und Blasen zu erzeugen, im Wesentlichen Blasen. Das ist also eine Möglichkeit, einen Bereich mit geringerer Dichte zu erhalten, der viel einfacher zu ionisieren ist. Dadurch können auch Blasen geblasen werden, die Passagen aus den Galaxien räumen. Im Wesentlichen Fluchtwege. Dann sehen wir auch, dass die Sternentstehung selbst so heiß und so hell ist, dass sie das Material um sie herum herausdrücken kann.

Im Laufe der Zeit werden wir auch die Kerne der Galaxien in Bewegung setzen, wo eine Materialscheibe um supermassereiche Schwarze Löcher auch sehr heiß und hell wird. Es räumt auch die Umgebung um ihn herum auf. Wir haben also all diese verschiedenen Mechanismen, die zusammenkommen.

Dies ist einer dieser erstaunlichen Fälle von beidem und. All diese verschiedenen Dinge passieren immer wieder und das Verrückte ist, wenn man die Zeitungen oft liest, kommt es so rüber: „Und wir haben gezeigt, dass das Universum durch Sternentstehung reionisiert wurde. Und wir haben gezeigt, dass das Universum durch aktive Galaxien reionisiert wird.“ Es sind all diese Dinge. Das Universum weigert sich, Grenzen zu setzen. Es hat keine Grenzen. Es wird erstaunliche Dinge auf seine Art tun.

Fraser: Richtig. Es ist nur unsere Aufgabe, es aufzudecken. Welche interessanten Experimente oder Observatorien stehen in naher Zukunft an, die unser Wissen über diese frühe Zeit weiter vorantreiben werden?

Dr. Gay: Nun, viele dieser Radioteleskope sind Wegweiser zum späteren Quadratkilometer-Array, das auf zwei Kontinente aufgeteilt ist und einige seiner Antennen bei einigen Wellenlängen hat. Geschirr ist für das Square Kilometre Array etwas langwierig. Es sieht eher aus wie stachelige Teile in der Wüste.

Einige der Detektoren werden in Südafrika und in anderen südafrikanischen Ländern installiert, andere in Australien. Diese beiden Gruppen von Arrays werden bei leicht unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten und sie werden einen riesigen Sammelbereich und eine enorme Auflösung haben, und sie arbeiten bei diesen extrem langen Wellenlängen, die, da diese Objekte sehr rotverschoben sind, wird uns die Möglichkeit geben, weiter zurück zu sehen, als wir derzeit oft sehen können.

Fraser: Ja. Ich denke, wir werden irgendwann Dutzende von Shows über Entdeckungen machen, die über das Square Kilometre Array gemacht wurden. Es wird erstaunlich. Alles klar. Hattest du diese Woche ein paar Namen für uns?

Dr. Gay: Das tue ich. Wie immer sind wir hier dank der großzügigen Beiträge von Menschen wie Ihnen. Rich, Ally, Nancy, all die Leute hinter den Kulissen. Beth Johnson. Alles, was sie tun, ist auf Ihre Beiträge zurückzuführen. Diese Woche möchte ich mich speziell bei den brandneuen, ein Jahr im Voraus bezahlten Sponsoren Kevin Lyle, Dave, Nate Detwiler, Phillip Walker, Elad Avron, Matt Rucker, Joshua Adams, Dave Lackey, Gregory Singleton, Paul D Disney, Karthik Venkatraman, Cooper, Lew Zealand, Sarah Turnbull, Chris Scherhaufer, Gfour184, Matt Newbold, Father Prax, Steven Shewalter, Dean McDaniel und Planetar. Also, vielen Dank für alles, was Sie getan haben, um uns am Laufen zu halten.


Die Ausdehnung des Universums und wie immer noch Sterne und Galaxien kollidieren - Astronomie

Ich war auf der APOD-Seite und das heutige Bild zeigt zwei kollidierende Galaxien.

Meine Frage ist, wie kollidieren Galaxien? Wenn die Dinge im Urknall begannen – sich von allem anderen wegbewegen – was würde dazu führen, dass eine Masse von der Größe einer Galaxie die Richtung ändert und sich in eine andere Galaxie bewegt?

Es ist interessant, dass Sie eine Frage zu diesem Bild stellen. Es wurde mit der Weitfeld-Infrarotkamera (WIRC) am Palomar-Observatorium aufgenommen. Diese Kamera wurde von Astronomen hier in Cornell gebaut und ein guter Freund von mir war an den Beobachtungen beteiligt, bei denen dieses Bild aufgenommen wurde.

Wie auch immer, es ist ganz natürlich, dass Galaxien kollidieren, obwohl sich das Universum ausdehnt - obwohl ich verstehe, warum Sie darüber verwirrt sein könnten. Was passiert, ist, dass es einen Kampf zwischen den Gravitationskräften zwischen den beiden Galaxien (die versucht, sie zusammenzuziehen) und der Expansion des Universums (die versucht, sie auseinander zu ziehen) gibt. Bei Galaxien, die sehr nahe beieinander beginnen, gewinnt fast immer die Schwerkraft, sodass die Galaxien am Ende kollidieren. Dies wird höchstwahrscheinlich der Milchstraße und der Andromeda-Galaxie (unserem nächsten großen Nachbarn) in einigen Milliarden Jahren passieren.

Vielen Dank, Karen, für Ihre Zeit, eine kurze Nachverfolgung, wenn Sie möchten. Wenn Galaxien kollidieren, ist das das Ende von ihnen oder vermischen sie sich zu einer großen Galaxie.

Es wird angenommen, dass das Endergebnis, wenn zwei große Spiralen kollidieren, elliptisch ist und dass Wechselwirkungen mit kleinen Galaxien tatsächlich die Spiralmuster in großen Spiralgalaxien ausmachen. Es wird die Idee, dass sich die Morphologie einer Galaxie im Laufe ihrer Lebensdauer stark ändert, wenn sie mit anderen Galaxien interagiert. Beachten Sie, dass Sterne bei galaktischen Kollisionen nicht kollidieren.

Diese Seite wurde zuletzt am 27. Juni 2015 aktualisiert

Über den Autor

Karen Meister

Karen war von 2000-2005 Doktorandin bei Cornell. Anschließend arbeitete sie als Forscherin in Galaxien-Rotverschiebungsstudien an der Harvard University und ist jetzt an der Fakultät der University of Portsmouth in ihrem Heimatland Großbritannien. Ihre Forschung konzentrierte sich in letzter Zeit darauf, die Morphologie von Galaxien zu nutzen, um Hinweise auf ihre Entstehung und Entwicklung zu geben. Sie ist die Projektwissenschaftlerin für das Galaxy Zoo-Projekt.


Neue Messung der Hubble-Konstante – Expansionsrate des Universums – aus kombinierten Beobachtungen von Neutronensternen

Kollision zweier Neutronensterne, die die elektromagnetischen und Gravitationswellenemissionen während des Verschmelzungsprozesses zeigen. Die kombinierte Interpretation mehrerer Botenstoffe ermöglicht es Astrophysikern, die innere Zusammensetzung von Neutronensternen zu verstehen und die Eigenschaften der Materie unter den extremsten Bedingungen im Universum aufzudecken. Bildnachweis: Tim Dietrich

Die Kombination von Signalen aus mehreren Beobachtungen von Neutronensternen hat es Forschern ermöglicht, die Eigenschaften ultradichter Materie besser zu verstehen und die Hubble-Konstante, die beschreibt, wie schnell sich das Universum ausdehnt, laut einer neuen Studie einzuschränken.

Neutronensterne sind die kollabierten Kerne massereicher Sterne und haben eine größere Dichte als ein Atomkern. Über die Eigenschaften von Materie unter solchen Bedingungen, die in erdgebundenen Labors nicht erreicht werden können, ist jedoch wenig bekannt. Um Materie bei diesen Extremen zu untersuchen, wenden sich Forscher kosmischen Kollisionen zu – Verschmelzungen von binären Neutronensternen.

Wenn Neutronensterne kollidieren, setzen sie sowohl elektromagnetische Strahlung als auch Gravitationswellen frei. Beobachtungen dieser unterschiedlichen Signale von demselben Ereignis, bekannt als Multi-Messenger-Astronomie, können verwendet werden, um den Zustand von immens dichtem Neutronensternmaterial und die Expansionsrate des Universums zu untersuchen.

Tim Dietrich und Kollegen entwickelten einen analytischen Rahmen, der Boten von zwei Neutronenstern-Verschmelzungen kombinierte – das Gravitationswellenereignis GW170817 und seine begleitenden elektromagnetischen Signale und das Nur-Gravitationswellen-Ereignis GW1904215.

Dietrich et al. kombinierten diese Ereignisse mit unabhängigen elektromagnetischen Messungen isolierter Neutronensterne und Berechnungen aus der Theorie der Kernphysik. beschränkte die Neutronenstern-Zustandsgleichung, die die Masse und den Radius jedes Neutronensterns in Beziehung setzt. Der Ansatz liefert auch eine Messung der Hubble-Konstante. Sie finden einen Wert, der mit früheren Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds am besten übereinstimmt.


Wird dies das Geheimnis der Expansion des Universums lösen?

Kredit: CC0 Public Domain

Das Universum wurde vor 13,8 Milliarden Jahren durch einen Riesenknall, den Urknall, geschaffen und begann sich dann auszudehnen. Die Expansion geht weiter: Es wird immer noch in alle Richtungen gedehnt wie ein Ballon, der aufgeblasen wird.

Darin sind sich die Physiker einig, aber etwas stimmt nicht. Die Messung der Expansionsrate des Universums auf unterschiedliche Weise führt zu unterschiedlichen Ergebnissen.

Stimmt also etwas mit den Messmethoden nicht? Oder passiert im Universum etwas, das Physiker noch nicht entdeckt und deshalb nicht berücksichtigt haben?

Es könnte sehr wohl letzteres sein, meinen mehrere Physiker, darunter Martin S. Sloth, Professor für Kosmologie an der Süddänischen Universität (SDU).

In einem neuen wissenschaftlichen Artikel schlagen er und sein SDU-Kollege, Postdoc Florian Niedermannn, die Existenz einer neuen Art dunkler Energie im Universum vor. Wenn Sie es in die verschiedenen Berechnungen der Expansion des Universums einbeziehen, werden die Ergebnisse ähnlicher.

„Eine neue Art dunkler Energie kann das Problem der widersprüchlichen Berechnungen lösen“, sagt Martin S. Sloth.

Widersprüchliche Messungen

Wenn Physiker die Expansionsrate des Universums berechnen, gehen sie davon aus, dass das Universum aus dunkler Energie, dunkler Materie und gewöhnlicher Materie besteht. Bis vor kurzem passten alle Arten von Beobachtungen zu einem solchen Modell der Zusammensetzung von Materie und Energie im Universum, aber das ist nicht mehr der Fall.

Widersprüchliche Ergebnisse ergeben sich bei der Betrachtung der neuesten Daten aus Messungen von Supernovae und der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die beiden Methoden führen schlichtweg zu unterschiedlichen Ergebnissen für die Expansionsrate.

„In unserem Modell stellen wir fest, dass eine neue Art von zusätzlicher dunkler Energie im frühen Universum sowohl die Hintergrundstrahlung als auch die Supernova-Messungen gleichzeitig und widerspruchsfrei erklären würde“, sagt Sloth.

Von einer Phase zur anderen

„Wir glauben, dass im frühen Universum dunkle Energie in einer anderen Phase existierte. Man kann sie damit vergleichen, wenn Wasser abgekühlt wird und es einen Phasenübergang zu Eis mit geringerer Dichte durchläuft“, erklärt er und fährt fort:

"In gleicher Weise geht die Dunkle Energie in unserem Modell in eine neue Phase mit geringerer Energiedichte über, wodurch sich die Wirkung der Dunklen Energie auf die Expansion des Universums verändert."

Nach den Berechnungen von Sloth und Niedermann addieren sich die Ergebnisse, wenn man sich vorstellt, dass die Dunkle Energie so einen durch die Expansion des Universums ausgelösten Phasenübergang durchgemacht hat.

Ein sehr heftiger Prozess

„Es ist ein Phasenübergang, bei dem plötzlich viele Blasen der neuen Phase auftauchen, und wenn sich diese Blasen ausdehnen und kollidieren, ist der Phasenübergang abgeschlossen. Auf kosmischer Ebene ist es ein sehr heftiger quantenmechanischer Prozess“, erklärt Sloth.

Heute kennen wir ca. 20% der Materie, aus der das Universum besteht. Es ist die Materie, aus der Sie und ich, Planeten und Galaxien bestehen. Das Universum besteht auch aus dunkler Materie, von der niemand weiß, was sie ist.

Darüber hinaus gibt es im Universum dunkle Energie, es ist die Energie, die das Universum ausdehnt, und sie macht ca. 70 % der Energiedichte des Universums.


Beeinflusst die Expansion des Universums die Konstellationen?

Hat sich angesichts der Ausdehnung des Universums die Entfernung der Sterne wie die des Orion-Gürtels im Laufe unseres Lebens für unser bloßes Auge in einer spürbaren Größenordnung verändert? Oder hält die Tatsache, dass sie sich in unserer Galaxie befinden, sie immer auf dem gleichen Abstand?

Alnitak, Alnilam und Mintaka sind die hellen bläulichen Sterne von Ost nach West (von links nach rechts) entlang . [+] die Diagonale in dieser wunderschönen kosmischen Aussicht. Diese drei blauen Überriesensterne, die auch als Oriongürtel bekannt sind, sind heißer und viel massereicher als die Sonne. They lie about 1,000 light-years away. Image credit: wikimedia user Astrowicht, CC BY-SA 3.0

Nothing in the universe is completely still, but our Universe behaves much more like your second option than the first one.

You’re absolutely right that things within the galaxy are not expanding along with the Universe at large, and this is because everything within the galaxy is gravitationally attached to the galaxy as a whole, and is not so easily extracted. At the moment, the force which pushes the Universe to accelerate its expansion (the infamously poorly named Dark Energy) is weaker than the attractive force of gravity, which pulls objects together. This is fortunate for us, because it means our galaxy is not being sheared apart by the expansion of the Universe.

The relative strength of gravity in our Universe ensures that anything that’s gravitationally tied to another object is not doing any drifting away from its companion due to the expansion of the Universe. This holds for any set of objects which are ruled by gravity -- the stars within a galaxy to the galaxy, or two stars to each other, or two galaxies to each other.

Now, this is not to say that these objects aren’t moving relative to each other -- just that this motion is not driven by the Universe’s expansion. It’s driven entirely by gravity. All the stars in our galaxy are following their own orbits around the center of our galaxy, and these orbits are not always perfect circles, so any two stars may find themselves at slightly different distances if you watch long enough.

This image, the first to be released publicly from VISTA, the world’s largest survey telescope, . [+] shows the spectacular star-forming region known as the Flame Nebula, or NGC 2024, in the constellation of Orion (the Hunter) and its surroundings. In views of this evocative object in visible light the core of the nebula is completely hidden behind obscuring dust, but in this VISTA view, taken in infrared light, the cluster of very young stars at the object’s heart is revealed. The wide-field VISTA view also includes the glow of the reflection nebula NGC 2023, just below centre, and the ghostly outline of the Horsehead Nebula (Barnard 33) towards the lower right. The bright bluish star towards the right is one of the three bright stars forming the Belt of Orion. The image was created from VISTA images taken through J, H and Ks filters in the near-infrared part of the spectrum. The image shows about half the area of the full VISTA field and is about 40 x 50 arcminutes in extent. The total exposure time was 14 minutes. Image credit: ESO/J. Emerson/VISTA. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit

The stars in Orion’s belt are no exception. They come with the wonderful names of Alnilam, Alnitak and Mintaka, and sit relatively close to us within our galaxy. For some scale, our Sun is about 30,000 light years from the center of our galaxy. These three stars, by contrast, are 1,340 light years, 817 light years, and 916 light years distant, respectively. And these stars are moving, relative to us Alnilam is moving directly away from us at about 25.9 kilometers every second (it’s also moving sideways, but it’s the traveling away from us part which might be able to make the star fainter). This translates to 58,000 mph, which in astronomical terms is very, very slow. The other two stars are moving even slower -- around 18.5 kilometers per second (

Considering that a light year is about 5.8 trillion miles (that’s a five, and then 12 zeros), you’re going to have to watch these stars for a really long time for them to make it even a single light year more distant from us. By my calculation, Alnilam, our fastest-moving star, will need about 11,450 years to travel the 5.8 trillion miles in a light year. That star is already sitting at 1,340 light years from us, so an additional light year changes the distance to that star by less than a tenth of a percent -- our eyes won’t notice this change, even if we had the 11 thousand years to wait.


The Universe

The universe is a vast expanse of space which contains all of the matter and energy in existence. The universe contains all of the galaxies, stars, and planets. The exact size of the universe is unknown. Scientists believe the universe is still expanding outward. They believe this outward expansion is the result of a violent, powerful explosion that occurred about 13.7 billion years ago. This explosion is known as the Big Bang. By looking at an object's electromagnetic spectrum, scientists can determine if an object is moving away from Earth or towards Earth. When distant objects, such as quasars, are viewed from Earth, their spectrum is shifted towards red. Whenever there is a shift in a spectrum, it is called a Doppler Shift. If the shift is toward red, the light given off by the object is in longer wavelengths. When an object moves away from Earth, the light that it is giving off is seen in longer wavelengths. When an object moves toward Earth, the light that it is giving off is seen in shorter wavelengths. This causes a shift in the object's spectrum towards violet. The amount of shift in an object's spectrum is determined by how fast the object is moving. All of the distant galaxies have tremendous red shifts. Based on these data, scientists believe the universe is still expanding outward.


THE CONQUEST OF SPACE

The translation given here needs some explanatory comment:

a) The word 'if' expresses in English a condition that is dependent upon a possibility and either an achievable or an unachievable hypothesis. Arabic is a language which is able to introduce a nuance into the condition which is much more explicit. There is one word to express the possibility (ida), another for the achievable hypothesis (in) and a third for the unachievable hypothesis expressed by the word (lau). The verse in question has it as an achievable hypothesis expressed by the word (in). The Qur'an therefore suggests the material possibility of a concrete realization. This subtle linguistic distinction formally rules out the purely mystic interpretation that some people have (quite wrongly) put on this verse.

b) God is addressing the spirits (jinn) and human beings (ins), and not essentially allegorical figures.

c) 'To penetrate' is the translation of the verb nafada followed by the preposition min. According to Kazimirski's dictionary, the phrase means 'to pass right through and come out on the other side of a body' (e.g. an arrow that comes out on the other side). It therefore suggests a deep penetration and emergence at the other end into the regions in question.

d) The Power (sultan) these men will have to achieve this enterprise would seem to come from the All- Mighty.' There can be no doubt that this verse indicates the possibility men will one day achieve what we today call (perhaps rather improperly) 'the conquest of space'. One must note that the text of the Qur'an predicts not only penetration through the regions of the Heavens, but also the Earth, i.e. the exploration of its depths. 2) The other two verses are taken from sura 15, (verses 14 and 15). God is speaking of the unbelievers in Makka, as the context of this passage in the sura shows:

"Even if We opened unto them a gate to Heaven and they were to continue ascending therein, they would say: our sight is confused as in drunkenness. Nay, we are people bewitched."

The above expresses astonishment at a remarkable spectacle, different from anything man could imagine. The conditional sentence is introduced here by the word lau which expresses a hypothesis that could never be realized as far as it concerned the people mentioned in these verses.

When talking of the conquest of space therefore, we have two passages in the text of the Qur'an: one of them refers to what will one day become a reality thanks to the powers of intelligence and ingenuity God will give to man, and the other describes an event that the unbelievers in Makkah will never witness, hence its character of a condition never to be realized. The event will however be seen by others, as intimated in the first verse quoted above. It describes the human reactions to the unexpected spectacle that travelers in space will see: their confused sight, as in drunkenness, the feeling of being bewitched.

This is exactly how astronauts have experienced this remarkable adventure since the first human space flight around the world in 1961. It is known in actual fact how once one is above the Earth's atmosphere, the Heavens no longer have the azure appearance we see from Earth, which results from phenomena of absorption of the Sun's light into the layers of the atmosphere. The human observer in space above the Earth's atmosphere sees a black sky and the Earth seems to be surrounded by a halo of bluish color due to the same phenomena of absorption of light by the Earth's atmosphere. The Moon has no atmosphere, however, and therefore appears in its true colors against the black background of the sky. It is a completely new spectacle therefore that presents itself to men in space, and the photographs of this spectacle are well known to present-day man.

Here again, it is difficult not to be impressed, when comparing the text of the Qur'an to the data of modern science, by statements that simply cannot be ascribed to the thought of a man who lived more than fourteen centuries ago.


The Universe’s Greatest Expansion

Anyone with even a modest command of astronomy knows that the universe is expanding. But it never expanded so much as it did a century ago.

It all began with a small, public event held on April 26, 1920 in Washington, D.C., sponsored by the National Academy of Sciences. Today, it’s known as The Great Debate.

Picture our knowledge of the cosmos at that time. If you were taking an astronomy course, you wouldn’t have confronted exam questions about galaxies, because the only galaxy we knew was the eponymous Milky Way. It was the entire universe, the whole cosmic caboodle. You wouldn’t have been asked to write an essay on the Big Bang either. At the time, most folks would have thought that two-word term was a reference to a heavy WW I artillery piece.

But three years later, everything changed. In the space of a thousand days, our concept of the cosmos was revamped to a degree not seen since the time of Copernicus.

The impetus for this astronomical revolution may seem unimpressive it was an argument about some fuzzy smudges seen on deep sky photos. The blotches had a clam-shell shape, but what were they? Clumps of gas peppering the Milky Way? Embryonic planetary systems? Or were they other Milky Ways – other galaxies or, in the terminology of the time, other universes?

The answer hinged on a better knowledge of two quantities: (1) The size of the Milky Way, and (2) the distance to one or more of these smudges. Obviously, if the fuzzy blotches were at a distance less than the diameter of the Milky Way, one could safely say they were part of it.

Opinions differed on both of these numbers. Since controversy is always good at filling an auditorium, the National Academy of Sciences scheduled a debate (which was, in fact, simply two back-to-back lectures) pitting the Lick Observatory’s Heber Curtis against the Mt. Wilson astronomer Harlow Shapley. It was northern vs southern California.

Points of view

The contention of Shapley was that astronomers had massively underestimated the size of the Milky Way – and that it was ten times greater in diameter than the accepted value at the time (30,000 light-years.) Believing that the smudges could surely not be farther than 300,000 light-years away, Shapley argued that they were part and parcel of the Milky Way.

Curtis on the other hand thought that the fuzzy clam shells were in fact other “island universes” – galaxies far beyond the familiar tracts of our own.

You might wonder why this was such a puzzle. You probably have little difficulty recognizing a galaxy when you see it. But harken back to those days of yesteryear when telescopes were small and when astronomical photography was still relatively unsophisticated. Any astronomical plate would have been crowded with stars, and the occasional smudges would have been mostly tiny. It couldn’t have been easy to believe that all those stars were a thousand times closer than the smudges.

The key, of course, was to know the distances. But measuring the remoteness of objects that are more than a few hundred light-years distant isn’t easy. The simple geometric schemes pioneered two millennia ago by some clever Greeks don’t work once you try them on objects beyond our local stellar neighborhood. You’d need to measure angles with impossible precision. Instead, some other scheme for gauging distance was required. So Curtis and Shapley offered up their favorites, such as the angular size of the smudges, to provide clues to how far away they were.

On the evening of April 26, the two astronomers spent a little over an hour disputing the scale of the universe. But there was no declared “winner.” The best telescopic observations were not adequate to decide about the smudges.

Enter the decider

However, new data soon appeared. In October, 1923 Edwin Hubble used the recently completed 100-inch Hooker Telescope on Mt. Wilson to make some high-resolution photos of the Andromeda nebula, a large smudge in the winter sky. In a truly eureka moment, he found some conspicuous variable stars in it, ones that periodically dim and brighten.


That was the key. Henrietta Levitt, one of the few women working in astronomy at the time, had studied these types of stars, and shown that the cadence of the variations was directly tied to the stars’ intrinsic brightness. Hubble soon pegged the distance to the nebula at 860,000 light-years. His number was somewhat less than the truth, but was still far beyond the limits of the Milky Way advocated by Shapley or anyone else.

Hubble’s work was revolutionary. Andromeda was another galaxy, another “universe.” And so were all the other clam-shell smudges. The visible universe extended a hundred thousand times farther than the most distant pickets of the Milky Way. And the space between them was expanding, a swelling that began 13 billion years ago with the Big Bang.

It all seems obvious now, and only astronomy aficionados are likely to throw virtual parties to commemorate the 100thanniversary of The Great Debate. But there’s a possibility that you could live to see another dramatic enlargement of the cosmos. You may have heard the suggestion that our universe is but one of many, and that the Big Bang was not unique. There might be enormous numbers of parallel universes that we can’t see, but that nonetheless exist.

The press release for The Great Debate was titled “How many universes are there?” That seemingly quaint question is clearly relevant again. If we learn that parallel universes are a demonstrable fact and not just an intriguing idea, then we will once again be witness to a great expansion of our cosmic horizons. Prepare to be humbled.


How fast is the universe expanding? Galaxies provide one answer.

NGC 1453, a giant elliptical galaxy in the constellation Eridanus, was one of 63 galaxies used to calculate the expansion rate of the local universe. Last year, the MASSIVE survey team determined that the galaxy is located 166 million light years from Earth and has a black hole at its center with a mass nearly 3 billion times that of the sun. Credit: the Carnegie-Irvine Galaxy Survey

Determining how rapidly the universe is expanding is key to understanding our cosmic fate, but with more precise data has come a conundrum: Estimates based on measurements within our local universe don't agree with extrapolations from the era shortly after the Big Bang 13.8 billion years ago.

A new estimate of the local expansion rate—the Hubble constant, or H0 (H-naught)—reinforces that discrepancy.

Using a relatively new and potentially more precise technique for measuring cosmic distances, which employs the average stellar brightness within giant elliptical galaxies as a rung on the distance ladder, astronomers calculate a rate—73.3 kilometers per second per megaparsec, give or take 2.5 km/sec/Mpc—that lies in the middle of three other good estimates, including the gold standard estimate from Type Ia supernovae. This means that for every megaparsec—3.3 million light years, or 3 billion trillion kilometers—from Earth, the universe is expanding an extra 73.3 ±2.5 kilometers per second. The average from the three other techniques is 73.5 ±1.4 km/sec/Mpc.

Perplexingly, estimates of the local expansion rate based on measured fluctuations in the cosmic microwave background and, independently, fluctuations in the density of normal matter in the early universe (baryon acoustic oscillations), give a very different answer: 67.4 ±0.5 km/sec/Mpc.

Astronomers are understandably concerned about this mismatch, because the expansion rate is a critical parameter in understanding the physics and evolution of the universe and is key to understanding dark energy—which accelerates the rate of expansion of the universe and thus causes the Hubble constant to change more rapidly than expected with increasing distance from Earth. Dark energy comprises about two-thirds of the mass and energy in the universe, but is still a mystery.

For the new estimate, astronomers measured fluctuations in the surface brightness of 63 giant elliptical galaxies to determine the distance and plotted distance against velocity for each to obtain H0. The surface brightness fluctuation (SBF) technique is independent of other techniques and has the potential to provide more precise distance estimates than other methods within about 100 Mpc of Earth, or 330 million light years. The 63 galaxies in the sample are at distances ranging from 15 to 99 Mpc, looking back in time a mere fraction of the age of the universe.

"For measuring distances to galaxies out to 100 megaparsecs, this is a fantastic method," said cosmologist Chung-Pei Ma, the Judy Chandler Webb Professor in the Physical Sciences at the University of California, Berkeley, and professor of astronomy and physics. "This is the first paper that assembles a large, homogeneous set of data, on 63 galaxies, for the goal of studying H-naught using the SBF method."

Ma leads the MASSIVE survey of local galaxies, which provided data for 43 of the galaxies—two-thirds of those employed in the new analysis.

The data on these 63 galaxies was assembled and analyzed by John Blakeslee, an astronomer with the National Science Foundation's NOIRLab. He is first author of a paper now accepted for publication in Das Astrophysikalische Journal that he co-authored with colleague Joseph Jensen of Utah Valley University in Orem. Blakeslee, who heads the science staff that support NSF's optical and infrared observatories, is a pioneer in using SBF to measure distances to galaxies, and Jensen was one of the first to apply the method at infrared wavelengths. The two worked closely with Ma on the analysis.

"The whole story of astronomy is, in a sense, the effort to understand the absolute scale of the universe, which then tells us about the physics," Blakeslee said, harkening back to James Cook's voyage to Tahiti in 1769 to measure a transit of Venus so that scientists could calculate the true size of the solar system. "The SBF method is more broadly applicable to the general population of evolved galaxies in the local universe, and certainly if we get enough galaxies with the James Webb Space Telescope, this method has the potential to give the best local measurement of the Hubble constant."

The James Webb Space Telescope, 100 times more powerful than the Hubble Space Telescope, is scheduled for launch in October.

Giant elliptical galaxies

The Hubble constant has been a bone of contention for decades, ever since Edwin Hubble first measured the local expansion rate and came up with an answer seven times too big, implying that the universe was actually younger than its oldest stars. The problem, then and now, lies in pinning down the location of objects in space that give few clues about how far away they are.

Astronomers over the years have laddered up to greater distances, starting with calculating the distance to objects close enough that they seem to move slightly, because of parallax, as the Earth orbits the sun. Variable stars called Cepheids get you farther, because their brightness is linked to their period of variability, and Type Ia supernovae get you even farther, because they are extremely powerful explosions that, at their peak, shine as bright as a whole galaxy. For both Cepheids and Type Ia supernovae, it's possible to figure out the absolute brightness from the way they change over time, and then the distance can be calculated from their apparent brightness as seen from Earth.

The best current estimate of H0 comes from distances determined by Type Ia supernova explosions in distant galaxies, though newer methods—time delays caused by gravitational lensing of distant quasars and the brightness of water masers orbiting black holes—all give around the same number.

The technique using surface brightness fluctuations is one of the newest and relies on the fact that giant elliptical galaxies are old and have a consistent population of old stars—mostly red giant stars—that can be modeled to give an average infrared brightness across their surface. The researchers obtained high-resolution infrared images of each galaxy with the Wide Field Camera 3 on the Hubble Space Telescope and determined how much each pixel in the image differed from the "average"—the smoother the fluctuations over the entire image, the farther the galaxy, once corrections are made for blemishes like bright star-forming regions, which the authors exclude from the analysis.

Neither Blakeslee nor Ma was surprised that the expansion rate came out close to that of the other local measurements. But they are equally confounded by the glaring conflict with estimates from the early universe—a conflict that many astronomers say means that our current cosmological theories are wrong, or at least incomplete.

The extrapolations from the early universe are based on the simplest cosmological theory—called lambda cold dark matter, or ΛCDM—which employs just a few parameters to describe the evolution of the universe. Does the new estimate drive a stake into the heart of ΛCDM?

"I think it pushes that stake in a bit more," Blakeslee said. "But it (ΛCDM) is still alive. Some people think, regarding all these local measurements, (that) the observers are wrong. But it is getting harder and harder to make that claim—it would require there to be systematic errors in the same direction for several different methods: supernovae, SBF, gravitational lensing, water masers. So, as we get more independent measurements, that stake goes a little deeper."

Ma wonders whether the uncertainties astronomers ascribe to their measurements, which reflect both systematic errors and statistical errors, are too optimistic, and that perhaps the two ranges of estimates can still be reconciled.

"The jury is out," she said. "I think it really is in the error bars. But assuming everyone's error bars are not underestimated, the tension is getting uncomfortable."

In fact, one of the giants of the field, astronomer Wendy Freedman, recently published a study pegging the Hubble constant at 69.8 ±1.9 km/sec/Mpc, roiling the waters even further. The latest result from Adam Riess, an astronomer who shared the 2011 Nobel Prize in Physics for discovering dark energy, reports 73.2 ±1.3 km/sec/Mpc. Riess was a Miller Postdoctoral Fellow at UC Berkeley when he performed this research, and he shared the prize with UC Berkeley and Berkeley Lab physicist Saul Perlmutter.

The new value of H0 is a byproduct of two other surveys of nearby galaxies—in particular, Ma's MASSIVE survey, which uses space and ground-based telescopes to exhaustively study the 100 most massive galaxies within about 100 Mpc of Earth. A major goal is to weigh the supermassive black holes at the centers of each one.

To do that, precise distances are needed, and the SBF method is the best to date, she said. The MASSIVE survey team used this method last year to determine the distance to a giant elliptical galaxy, NGC 1453, in the southern sky constellation of Eridanus. Combining that distance, 166 million light years, with extensive spectroscopic data from the Gemini and McDonald telescopes—which allowed Ma's graduate students Chris Liepold and Matthew Quenneville to measure the velocities of the stars near the center of the galaxy—they concluded that NGC 1453 has a central black hole with a mass nearly 3 billion times that of the sun.

To determine H0, Blakeslee calculated SBF distances to 43 of the galaxies in the MASSIVE survey, based on 45 to 90 minutes of HST observing time for each galaxy. The other 20 came from another survey that employed HST to image large galaxies, specifically ones in which Type Ia supernovae have been detected.

Most of the 63 galaxies are between 8 and 12 billion years old, which means that they contain a large population of old red stars, which are key to the SBF method and can also be used to improve the precision of distance calculations. In the paper, Blakeslee employed both Cepheid variable stars and a technique that uses the brightest red giant stars in a galaxy—referred to as the tip of the red giant branch, or TRGB technique—to ladder up to galaxies at large distances. They produced consistent results. The TRGB technique takes account of the fact that the brightest red giants in galaxies have about the same absolute brightness.

"The goal is to make this SBF method completely independent of the Cepheid-calibrated Type Ia supernova method by using the James Webb Space Telescope to get a red giant branch calibration for SBFs," he said.

"The James Webb telescope has the potential to really decrease the error bars for SBF," Ma added. But for now, the two discordant measures of the Hubble constant will have to learn to live with one another.

"I was not setting out to measure H0 it was a great product of our survey," she said. "But I am a cosmologist and am watching this with great interest."