Astronomie

L'expansion de l'univers et comment les étoiles et les galaxies entrent toujours en collision

L'expansion de l'univers et comment les étoiles et les galaxies entrent toujours en collision


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Comment se fait-il que toutes les galaxies et les étoiles s'éloignent les unes des autres alors qu'elles entrent toujours en collision ? D'après ce que j'ai étudié en tant qu'univers ouvert (ou de nombreux univers ouverts), l'idée d'étoiles et de galaxies en collision me laisse perplexe.


Simple et direct. Les objets qui s'éloignent les uns des autres peuvent toujours se croiser. « L'expansion est un général direction, pas une trajectoire de vol spécifique.


Les galaxies et les étoiles ne sont pas tous s'éloignent les uns des autres. L'espace entre eux s'élargit, mais cela n'affecte pas leurs trajectoires. Par exemple, la galaxie d'Andromède est sur le point de croiser la Voie lactée, après quoi nous nous réunirons en tant que "Milkdromeda" sans imagination. Au fur et à mesure que l'espace s'étend, il grandit de plus en plus vite, cela conduira finalement à un "effet d'île", où l'espace entre les galaxies s'étendra plus vite que la lumière, à quel point tout à l'extérieur de notre galaxie s'assombrira pour toujours.


L'expansion est annulée à petite échelle par gravité. Notre galaxie ne s'étend pas et les étoiles sont liées entre elles. En fait, tout un grouper des galaxies ne remarquent pas l'expansion globale.


Ep. 597 : L'Expansion de l'Univers (Mise à jour)

Cela fait un moment que nous n'avons pas vérifié que l'Univers était toujours en expansion. Oui, apparemment, c'est toujours une chose. Mais au cours des dernières années, de nouveaux télescopes puissants et de vastes enquêtes nous ont permis de mieux comprendre ce qui se passe.

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Transcription

Fraser : Astronomy Cast, Épisode 597 : L'expansion de l'univers revisitée. Bienvenue dans Astronomy Cast, votre voyage hebdomadaire basé sur des faits à travers le cosmos. Où nous vous aidons à comprendre, non seulement ce que nous savons, mais comment nous savons ce que nous savons. Je suis Fraser Cain, éditeur de Universe Today. Avec moi, comme toujours, le Dr Pamela Gay, scientifique principale au Planetary Science Institute et directrice de CosmoQuest. Salut, Paméla. Comment allez vous?

Dr Gay : Je vais bien. Comment vas-tu, Fraser ?

Fraser : D'accord. Il y a eu une grande épidémie de COVID ici sur l'île de Vancouver.

Fraser : C'est assez mauvais. Le lycée de mon fils avait, je pense, huit cas et ils ont dû mettre en quarantaine environ 90 personnes.

Fraser : Il est entré dans une maison de retraite ici dans la région, dans quelques autres écoles. Donc, c'est comme le pire des cas de COVID. Je sais que j'ai été heureux de vivre sur une île loin de tout, mais nous devons toujours garder nos défenses. De toute évidence, il a franchi les défenses et a organisé une fête ici, dans ma partie de l'île de Vancouver.

Fraser : Ouais. C'est une sorte de douleur.

Dr Gay : Il semble que cela circule. Je suis personnellement – ​​nous essayons de mettre en quarantaine nos différents segments de notre maison. Mon mari a eu quelque chose à l'estomac le week-end dernier. Pas celui qui était hier, mais celui qui était une semaine auparavant et qui s'est retrouvé aux urgences et ils l'ont fait démasquer et ils l'ont admis dans le service et ils l'ont transféré entre les sections de l'hôpital sans masque. Ils ne testaient pas les gens pour COVID avant de les mettre dans le service. Donc, dans la plénitude de la précaution, nous faisons - d'accord. Ceci est votre quadrant de la maison. C'est mon quadrant de la maison.

Dr Gay : Et être masqué partout ailleurs car, malheureusement, vous devez marcher dans le couloir pour utiliser les toilettes de ma maison.

Fraser : Exact. Donc, vous envisagez deux semaines de prudence. Oui.

Fraser : .

Dr Gay : Non. Non. Absolument pas.

Dr Gay : Oh, mais nous sommes ici pour discuter de science, ce qui est bien plus excitant. Avant que nous le fassions, ceci est votre rappel : les directives les plus récentes sont : mon chien vient d'enlever mes écouteurs.

Fraser : Ce ne sont pas les lignes directrices les plus récentes. Elle ne m'entend pas parce que son chien a enlevé ses écouteurs.

Fraser : Il est impossible que ces écouteurs restent allumés. Ce chien va les enlever à chaque fois.

Dr Gay : Donc, j'ai un chien de soutien émotionnel tout à fait par accident. Je l'ai eue le jour où j'ai quitté un emploi et elle a appris, parce que je la prenais à chaque fois que j'étais contrarié, comment être un chien de soutien émotionnel et elle pouvait dire que j'étais contrarié de parler de COVID et essayait simplement de faire son travail. Mais, ce que j'allais dire, c'est que les dernières directives sont les suivantes : portez un masque N95 ou un masque K95 avec un masque chirurgical ou en tissu par-dessus. Alors, vous tous là-bas, restez en sécurité, double masque. Nous allons finir par traverser ça d'une manière ou d'une autre, mais avant de le traverser, nous allons parler de science parce que la science continue.

Fraser : Ouais. Cela fait un moment que nous n'avons pas vérifié pour nous assurer que l'univers était toujours en expansion. Oui. Apparemment, c'est encore une chose. Mais, au cours des dernières années, de nouveaux télescopes puissants et de vastes enquêtes nous ont permis de mieux comprendre ce qui se passe, en particulier dans les premiers temps. Nous en parlerons dans une seconde. Mais, d'abord, faisons une pause.

Et nous sommes de retour. D'accord, Paméla. Maintenant, bien sûr, nous avons parlé de l'expansion de l'univers. L'expansion inévitable et continue de l'univers aux plus grandes échelles.

Fraser : Ouais. La mort thermique éventuelle que le moment où toute la matière dans l'univers a été comprimé incroyablement près les uns des autres. Mais, chaque partie de ce processus est constamment analysée et, ce faisant, d'autres questions surgissent. De nouvelles études doivent être faites. De nouvelles expérimentations sont lancées. De nouveaux instruments montent. Donc, bien que nous sachions, grosso modo, que l'univers est en expansion, il y a de petites pièces de ce puzzle - des centaines, des milliers de petites pièces du puzzle et les scientifiques ont fait des découvertes et des avancées incrémentielles vraiment intéressantes dans tous les domaines. Il y a donc de nouvelles avancées vraiment intéressantes dont vous vouliez parler.

Dr Gay : Exact. Alors, je tiens à rassurer tout le monde. Aux plus grandes échelles de compréhension de l'univers, nous l'avons. Nous avons ceci.

Fraser : L'univers est en expansion.

Dr Gay : L'univers est en expansion. Nous voyons le fond diffus cosmologique qui nous dit que l'univers est issu de cette chose que nous avons appelée le Big Bang. Nous comprenons que la cosmo-nucléosynthèse s'est produite. Nous obtenons les bons ratios des éléments sortant du Big Bang. Là où nous rencontrons des problèmes, c'est tout ce qui implique une compréhension détaillée de la structure ou de ce qui s'est passé depuis que ce fond de micro-ondes cosmique a été libéré.

Fraser : Mm-hmm. Alors, parlons de quoi - encore une fois, à grands traits, nous savons que vous avez l'univers, l'univers était un état chaud et dense, refroidi au point qu'au début, il était opaque parce qu'il faisait très chaud. C'était comme l'intérieur d'une étoile. Refroidie au point, à peu près la température d'une étoile rouge géante, d'une étoile naine rouge, cette lumière pourrait enfin s'échapper dans l'univers. Qu'est-ce qui s'est passé ensuite?

Dr Gay : Donc, à ce stade, notre univers était en grande partie un gaz neutre. C'était plus ou moins de densité constante, mais les moindres variations entre cette densité plus ou moins constante, créaient des endroits où la matière noire et la matière ordinaire, la matière dont nous sommes faits, dont sont faites nos tables, pouvaient s'effondrer gravitationnellement en densité capable de former des étoiles et des galaxies.

Maintenant, les échelles de temps sur lesquelles cela s'est produit sont notre premier point de confusion, car le gaz vraiment chaud, vous ne pouvez pas le réduire. De la matière noire vraiment chaude, qui ne va pas s'effondrer simplement parce que les énergies des particules individuelles ricochant les unes sur les autres, par le biais d'interactions, vont maintenir les choses étendues contre la gravité en essayant de les faire s'effondrer.

Mais, d'une manière ou d'une autre, à une échelle de temps que nous sommes toujours en train de comprendre, les choses se sont effondrées et c'est là que le problème de la poule et de l'œuf se pose.

Fraser : Exact. Et juste pour mettre un point plus précis, nous avons cette situation dans la Voie lactée où vous avez des nuages ​​de gaz, du gaz froid restant du Big Bang, mais il ne se transforme pas en étoile parce qu'il ne fait que traîner là en parfait équilibre.

Fraser : Il faut une sorte de coup de pied, une sorte d'événement. Gaz chaud, oubliez ça. Il n'y a pas moyen d'en faire une star. Alors, que pensons-nous, maintenant, de la façon dont tout cela s'est mis en place?

Dr Gay : Donc, lorsque nous avons discuté pour la première fois de cela il y a de nombreuses années, j'ai dit que nous essayions de comprendre exactement comment les galaxies se sont agrandies, à quelle vitesse les petites galaxies se sont formées, à quelle vitesse les petites galaxies ont fusionné en des galaxies de plus en plus grandes. Ensuite, nous avons construit les grands télescopes et nous avons commencé à regarder en arrière aux premiers instants de l'univers avec l'Atacama Large Millimeter Array, avec les installations MeerKAT en Afrique du Sud, avec tous les radiotélescopes en Australie et nous avons découvert qu'au moment que nous pensions que les plus petites galaxies auraient juste commencé à se former quelques centaines de millions d'années, 600 millions d'années, après le Big Bang. Il y a déjà des galaxies massives parfaitement formées qui traînent, faisant leur truc de galaxie massive. Donc, nous nous sommes trompés dans les délais.

Dr Gay : Il semble donc que la matière noire joue un rôle légèrement différent de ce que nous pensions. L'idée originale était que la matière lumineuse tomberait dans ces grands halos diffus de matière noire et formerait de petits systèmes minuscules, car il n'y avait pas de moyen facile de canaliser suffisamment de matière dans ces halos de matière noire pour former des galaxies. Eh bien, apparemment, la turbulence, lorsque la matière tombe et qu'elle se mélange au fur et à mesure, est capable de dégager suffisamment d'énergie pour que vous puissiez avoir un effondrement turbulent pour former cette galaxie massive. D'accord. Nous avons donc découvert la galaxie massive. Et ce qui est cool, c'est que nous pouvons réellement voir les filaments de refroidissement de cela dans de nouvelles images qui viennent d'être publiées au cours des dernières semaines. Mais vient ensuite le problème de savoir comment faire en sorte qu'un trou noir supermassif se forme assez rapidement ? Ici, nous commençons à penser soit à plus de turbulences, soit à des théories qui montrent que vous pouvez le faire avec de la matière noire. Pendant des années…

Fraser : D'accord, j'ai environ un millier de questions et nous y reviendrons dans une seconde.

Fraser : Mais, d'abord, faisons une pause.

Fraser : Et nous sommes de retour. Très bien. D'accord. Supermassif - d'accord.

Fraser : Donc, des trous noirs supermassifs.

Fraser : Qui sont d'énormes trous noirs, des millions de fois la masse du Soleil au cœur de chaque galaxie. Bla bla bla. Vous avez entendu cela un million de fois.

Fraser : Et la matière noire, on ne sait pas ce que c'est.

Fraser : Peut-il se transformer en trou noir ? Eh bien, probablement, bien sûr, parce que tout va dans des trous noirs.

Fraser : Comment feriez-vous pour que la matière noire, dont nous ne savons même pas ce que c'est, se transforme en trous noirs, dont nous ne savons même pas vraiment ce qu'ils sont, ce qu'il y a à l'intérieur. Comment cela fonctionnerait-il ?

Dr Gay : Eh bien, selon certaines des dernières théories, si vous prenez, disons, un milliard de masses solaires de particules de matière noire qui ont une masse similaire à la masse d'un neutrino, et nous commençons à penser que la matière noire est probablement assez similaire aux neutrinos quelle que soit leur configuration. Si vous empilez toute la masse ensemble, elle s'effondrera naturellement. La gravité surmontera tout type de pression qui soutient la matière noire et lui permettra de s'effondrer dans ce trou noir supermassif à des échelles de temps qui correspondent à ces plus jeunes galaxies massives que nous voyons.

Fraser : Exact. Je veux juste avoir une tangente, ici, pendant une seconde.

Fraser : C'est que lorsque nous parlons de matière noire, nous parlons de cette particule étrange et invisible qui n'interagit avec la matière ordinaire que par sa masse. Il n'émet aucune lumière et les gens ont ça - je ne sais pas. Ils ont cette réponse. Cette réponse immédiate et instinctive, comme : « C'est impossible. Je n'aime pas ça. La science a tort. Mais, regardez le neutrino.

Fraser : Le neutrino est – fait l'affaire de la matière noire de presque toutes les manières. Qu'il soit essentiellement invisible, en moyenne, un neutrino traversera une année-lumière de plomb. J'appelle cela ne pas interagir avec la matière ordinaire.

Fraser : En théorie, rassemblez-en suffisamment – ​​ayez suffisamment de neutrinos et vous aurez vous-même une certaine gravité. Si vous êtes d'accord avec l'idée des neutrinos…

Dr Gay : … que nous détectons régulièrement.

Fraser : Que nous détectons régulièrement, mais qui étaient très difficiles et n'ont été détectés que relativement récemment avec d'énormes expériences et jusqu'à ce point, ils étaient juste entièrement théoriques. Seuls les maths les ont prédits. Que si vous avez un problème avec la matière noire, mais que vous êtes d'accord avec les neutrinos, c'est vraiment – ​​c'est presque la même chose. C'est marrant. C'est juste que l'un a été détecté et l'autre non et…

Dr Gay : Et l'un a un nom qui sonne comme une particule et l'autre sonne comme s'il avait été inventé.

Fraser : Cela ressemble à une particule. Oui. Alors, c'est ça le problème ?

Fraser : Que nous – cette matière noire n'a tout simplement pas un nom vraiment cool ?

Dr Gay : Oui. Je suis prêt à faire avec. Cela ressemble à une émission de science-fiction. En fait, le nom était pour une émission de science-fiction.

Fraser : Je sais. Je connais. Alors ok. J'ai l'impression d'être enfin – je viens de développer une nouvelle façon d'en parler. Donc, je suppose, le fait est que nous savons que la matière noire n'interagit pas avec la matière ordinaire et qu'elle n'interagit pas non plus avec elle-même.

Fraser : Donc, la seule façon d'y arriver est de se trouver dans la même région au même moment avec une densité suffisante pour créer un trou noir.

Dr Gay : C'est exactement ce que c'est. Chaque fois que vous rassemblez suffisamment de masse pour que l'attraction gravitationnelle vers le centre puisse surmonter toute forme de pression qui soutient le matériau, il s'effondrera dans, potentiellement, un trou noir. Dans ce cas, il le fait sur les bonnes échelles de temps, dans les bonnes quantités de masse, et cela a du sens. L'idée est que la matière noire, qui est la majeure partie de l'univers, a pu tomber dans un halo suffisamment dense pour qu'elle puisse s'effondrer dans un trou noir plus rapidement que toute cette substance lumineuse qui vient de beaucoup plus loin n'a pu s'effondrer. .

Fraser : Exact. Et serait repoussé en raison de la chaleur.

Fraser : Exact. Vraiment intéressant.

Dr Gay : Tout se résume à la densité des choses à travers l'univers.

Fraser : Exact. Qu'avez-vous d'autre pour nous ?

Dr Gay : Donc, nous avons également essayé de déterminer les détails de, comment prendre un univers fait de gaz neutre, qui est assez opaque, vous ne pouvez pas regarder à travers, et vous le transformez en ce transparent univers qui nous permet de regarder des milliards et des milliards d'années à travers l'espace et le temps pour voir tout cela se produire ? Nous avons essayé de blâmer les quasars, nous avons essayé de blâmer la formation d'étoiles, mais nous avions besoin de données pour le faire. Ce qui est incroyable, c'est que nous commençons enfin à pouvoir construire les télescopes, qui fonctionnent à partir de la surface de notre planète, pour comprendre cela. Cela devait être fait par le JWST qui a refusé de se lancer au cours des 11 dernières années.

Fraser : octobre. 31 octobre. Ça va arriver. Nous ne sommes plus que dans neuf mois. Pas même. Sept mois loin. Sept et demi.

Dr Gay : Et combien de temps cela prendra-t-il pour être entièrement mis en service et fonctionner ?

Dr Gay : Ça va prendre plus de temps que ça pour aller de la surface de la Terre à son orbite.

Fraser : D'accord. Très bien. Amende.

Dr Gay : Donc, toute cette science vraiment cool était censée être faite avec le télescope spatial James Webb et nous sommes très impatients, nous les astronomes. Lorsque vous refusez de terminer la construction de notre télescope spatial, nous commençons à trouver d'autres moyens, apparemment. Je n'ai pas. Je n'en porte aucune responsabilité.

Des gens bien meilleurs que moi en ingénierie ont compris comment construire des télescopes au sol fonctionnant dans des ondes radio, des ondes submillimétriques, et alors qu'ils utilisent ces longueurs d'onde de lumière plus longues, ils regardent en arrière au début de l'univers et ils ' Vous commencez à pouvoir mesurer la formation d'étoiles massives. Ils commencent à voir comment c'était littéralement, ces premières étoiles s'illuminant qui ont rendu notre univers transparent, mais ce qui était aussi vraiment cool, c'est que vous vous retrouvez avec des bulles de matière poussées par les premières supernovae. C'est donc ce double coup de matériau qui est expulsé ainsi que l'illumination des étoiles.

Fraser : D'accord. Nous en reparlerons un peu plus dans une seconde, mais d'abord, il est temps pour une autre pause.

Et nous sommes de retour. Donc, j'aime cette idée que les astronomes trouvent un moyen. Que même si le télescope dont ils dépendent pour scruter les âges sombres de l'univers prend, je ne sais pas, une décennie de plus que prévu, qu'ils proposent une toute nouvelle technique utilisant la Terre, assez peu coûteuse radiotélescopes. Juste un grand nombre d'entre eux assis dans le désert d'Afrique du Sud pour voir cette fois. Alors, quelle est la technique qu'ils utilisent?

Dr Gay : C'est de l'interférométrie. C'est une façon de prendre la lumière de plusieurs petits oscilloscopes différents et de les combiner pour créer une capacité beaucoup plus haute résolution de regarder les choses. La quantité de détails que vous pouvez voir dans n'importe quoi est déterminée par sa taille d'un bord à l'autre, mais elle n'a pas besoin d'être complète d'un bord à l'autre. Ainsi, vous pouvez prendre un miroir et le transformer en nid d'abeille et sa capacité à détecter les détails sera exactement la même que lorsqu'il s'agissait d'un morceau de verre solide. Il pèsera beaucoup moins et prendra beaucoup moins de place. Avec les télescopes optiques, nous ne le faisons généralement pas, mais avec la radio, nous disperserons les télescopes sur tout un continent. Parfois partout…

Fraser : Parfois une planète.

Dr Gay : Oui. Exactement. Vous ne voulez pas couvrir autant de terrain avec un équipement radio. Ainsi, pour obtenir ces images à très haute résolution, ils combinent des télescopes répartis sur des miles et des kilomètres, et des kilomètres et des miles. Chaque télescope est capable de collecter une certaine quantité de lumière et comme il y en a assez, ils peuvent également détecter des signaux très faibles. Ainsi, vous avez la quantité de zone de collecte qui les rend faibles, la taille bord à bord donne une résolution incroyable. Mettez tout cela ensemble, trouvez un tunnel qui est en grande partie vide entre ici et un objet distant et, enfin, vous pouvez voir cet objet distant.

Fraser : Je veux parler un peu de la technique qu'ils utilisent. S'attaquent-ils spécifiquement à la ligne des 22 centimètres? Ou alors…

Dr Gay : Non. Donc, ce qu'ils font en fait, c'est qu'ils recherchent certaines des raies d'ionisation qui proviennent de la formation d'étoiles. Ainsi, nous commençons à voir la ligne d'hydrogène de 21 centimètres qui est la longueur d'onde de la lumière que nous voyons provenant de l'hydrogène gazeux et de gros nuages ​​diffus. Nous ne sommes pas intéressés par ces nuages ​​dans l'univers primitif. Nous savons qu'ils sont là. Nous sommes intéressés à comprendre ce qui les ionise et fait en sorte que nous puissions voir à travers tout. C'est là que la compréhension de la façon dont la lumière se dégage des étoiles brillantes commence vraiment à avoir de l'importance.

Lorsque nous regardons la lumière des étoiles, nous pouvons la diviser en un arc-en-ciel. Nous allons voir des taches sombres dans cet arc-en-ciel, là où la lumière est absorbée par l'atmosphère de l'étoile, mais nous allons aussi voir des lignes lumineuses, provenant soit du gaz voisin qui s'ionise, soit, dans certains cas, en fait, de certaines des étoiles qui ont des lignes d'ionisation. Ce sont ces raies lumineuses, ces raies d'émission que nous recherchons parce que, eh bien, tout d'abord, elles sont plus lumineuses. Donc, ils sont plus faciles à voir à ce genre de distances, mais ils signifient aussi spécifiquement que ce type de formation d'étoiles est en cours.

Dr Gay : C'est ce qui illumine l'univers. Viens me regarder.

Fraser : Exact. D'accord. Alors, c'est la technique, dans quoi ont-ils pu trouver ? Quelles sont les nouvelles découvertes qu'ils ont pu faire pendant cette période ?

Dr Gay : Eh bien, ce que nous découvrons, c'est qu'il existe une structure complexe autour de ces galaxies qui explique comment le gaz devient transparent. Nous avons des étoiles explosives capables de choquer le gaz et de créer des bulles, essentiellement des bulles. C'est donc une façon d'obtenir une zone de densité plus faible qui est beaucoup plus facile à ioniser. Cela peut également faire exploser des bulles qui nettoient les passages des galaxies. Essentiellement des échappatoires. Ensuite, nous voyons également que la formation d'étoiles, elle-même, est si chaude et si brillante qu'elle peut pousser le matériau autour d'elle.

Maintenant, avec le temps, nous allons également faire avancer les noyaux des galaxies où un disque de matière autour des trous noirs supermassifs, il deviendra également très chaud et lumineux. Il nettoie également la région qui l'entoure. Donc, nous avons tous ces différents mécanismes qui se réunissent.

C'est l'un de ces cas étonnants des deux et. Toutes ces différentes choses continuent de se produire et ce qui est fou, c'est que, lorsque vous lisez les journaux, souvent, cela donne l'impression: «Et nous avons montré que l'univers a été ré-ionisé par la formation d'étoiles. Et nous avons montré que l'univers est réionisé par des galaxies actives. C'est toutes ces choses. L'univers refuse de prendre des limites. Il n'a pas de frontières. Il va faire des choses incroyables à sa façon.

Fraser : Exact. C'est juste notre travail de le découvrir. Quelles sont les expériences ou les observatoires intéressants à venir dans un proche avenir qui continueront à approfondir nos connaissances sur cette époque précoce ?

Dr Gay : Eh bien, beaucoup de ces radiotélescopes sont des éclaireurs vers l'éventuel Square Kilometer Array, qui est divisé sur deux continents avec certaines de ses paraboles à certaines longueurs d'onde. La vaisselle est un peu exagérée pour le Square Kilometer Array. Cela ressemble plus à des morceaux épineux dans le désert.

Certains des détecteurs seront installés en Afrique du Sud et dans d'autres pays d'Afrique australe, d'autres seront installés en Australie. Ces deux ensembles de réseaux vont fonctionner à des longueurs d'onde légèrement différentes et ils vont avoir une zone de collecte massive, et une résolution massive, et ils fonctionnent à ces longueurs d'onde extrêmement longues qui, avec ces objets étant très décalés vers le rouge, nous donnera la possibilité de voir plus loin que ce que nous sommes actuellement en mesure de voir la plupart du temps.

Fraser : Ouais. Je pense que nous ferons, à terme, des dizaines d'émissions sur les découvertes faites sur le Square Kilometer Array. Ça va être incroyable. Très bien. Avez-vous eu des noms pour nous cette semaine?

Dr Gay : Oui. Donc, comme toujours, nous sommes ici grâce aux généreuses contributions de personnes comme vous. Rich, Ally, Nancy, tous les gens dans les coulisses. Beth Johnson. Tout ce qu'ils font est grâce à vos contributions. Cette semaine, je voudrais en particulier remercier le tout nouveau sponsor payé un an à l'avance 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 et planetar. Alors, merci à tous pour tout ce que vous avez fait pour nous faire avancer.


L'expansion de l'univers et comment les étoiles et les galaxies entrent toujours en collision - Astronomie

J'étais sur la page APOD, et la photo d'aujourd'hui est celle de deux galaxies entrant en collision.

Ma question est de savoir comment les galaxies entrent en collision? Si les choses ont commencé dans le Big Bang - en s'éloignant de tout le reste - qu'est-ce qui ferait qu'une masse de la taille d'une galaxie change de direction et se déplace dans une autre galaxie ?

Il est intéressant que vous posiez une question sur cette image. Elle a été prise avec la caméra infrarouge à grand champ (WIRC) de l'observatoire de Palomar. Cette caméra a été construite par des astronomes ici à Cornell et un bon ami à moi a été impliqué dans les observations dans lesquelles cette photo a été prise.

Quoi qu'il en soit, il est tout à fait naturel que les galaxies entrent en collision même si l'univers est en expansion - bien que je puisse voir pourquoi vous pourriez être confus à ce sujet. Ce qui se passe, c'est qu'il y a une bataille entre les forces de gravité entre les deux galaxies (qui essaie de les rapprocher) et l'expansion de l'univers (qui essaie de les séparer). Avec des galaxies qui commencent assez près les unes des autres, c'est presque toujours la gravité qui l'emporte, donc à la fin les galaxies entreront en collision. Cela arrivera très probablement à la Voie lactée et à la galaxie d'Andromède (notre grande voisine la plus proche) dans quelques milliards d'années.

Merci Karen pour votre temps, un suivi rapide si vous voulez. Lorsque les galaxies entrent en collision, c'est qu'elles se terminent ou s'entremêlent pour former une grande galaxie.

On pense que lorsque deux grandes spirales entrent en collision, le résultat final est une elliptique, et que les interactions avec les petites galaxies sont en fait ce qui crée les motifs en spirale dans les grandes galaxies spirales. Cela devient l'idée que la morphologie d'une galaxie change beaucoup au cours de sa vie lorsqu'elle interagit avec d'autres galaxies. Notez que dans les collisions galactiques, les étoiles ne se heurtent pas.

Cette page a été mise à jour le 27 juin 2015

A propos de l'auteur

Maîtres Karen

Karen a été étudiante diplômée à Cornell de 2000 à 2005. Elle a ensuite travaillé comme chercheuse dans le cadre d'enquêtes sur les décalages vers le rouge des galaxies à l'Université Harvard et fait maintenant partie de la faculté de l'Université de Portsmouth dans son pays d'origine, le Royaume-Uni. Dernièrement, ses recherches se sont concentrées sur l'utilisation de la morphologie des galaxies pour donner des indices sur leur formation et leur évolution. Elle est la scientifique de projet pour le projet Galaxy Zoo.


Nouvelle mesure de la constante de Hubble - Taux d'expansion de l'Univers - À partir d'observations combinées d'étoiles à neutrons

Collision de deux étoiles à neutrons montrant les émissions d'ondes électromagnétiques et gravitationnelles pendant le processus de fusion. L'interprétation combinée de multiples messagers permet aux astrophysiciens de comprendre la composition interne des étoiles à neutrons et de révéler les propriétés de la matière dans les conditions les plus extrêmes de l'univers. Crédit : Tim Dietrich

La combinaison de signaux provenant de multiples observations d'étoiles à neutrons a permis aux chercheurs de mieux comprendre les propriétés de la matière ultra-dense et de contraindre la constante de Hubble, qui décrit la vitesse à laquelle l'Univers s'étend, selon une nouvelle étude.

Les étoiles à neutrons sont les noyaux effondrés d'étoiles massives et ont des densités supérieures à celles d'un noyau atomique. Cependant, on sait peu de choses sur les propriétés de la matière dans de telles conditions, qui ne peuvent pas être atteintes dans les laboratoires terrestres. Pour étudier la matière à ces extrêmes, les chercheurs se tournent vers les collisions cosmiques – des fusions d'étoiles à neutrons binaires.

Lorsque les étoiles à neutrons entrent en collision, elles libèrent à la fois un rayonnement électromagnétique et des ondes gravitationnelles. Les observations de ces signaux distincts du même événement, connus sous le nom d'astronomie multi-messagers, peuvent être utilisées pour étudier l'état du matériau d'étoiles à neutrons extrêmement dense et le taux d'expansion de l'Univers.

Tim Dietrich et ses collègues ont développé un cadre analytique qui combinait les messagers de deux fusions d'étoiles à neutrons - l'événement d'ondes gravitationnelles GW170817 et ses signaux électromagnétiques associés, et l'événement d'ondes gravitationnelles uniquement GW1904215.

En combinant ces événements avec des mesures électromagnétiques indépendantes d'étoiles à neutrons isolées et des calculs issus de la théorie de la physique nucléaire, Dietrich et al. contraint l'équation d'état de l'étoile à neutrons, qui relie la masse et le rayon de chaque étoile à neutrons. L'approche fournit également une mesure de la constante de Hubble, ils trouvent une valeur qui est la plus cohérente avec les mesures précédentes du fond diffus cosmologique.


Cela résoudra-t-il le mystère de l'expansion de l'univers ?

Crédit : CC0 Domaine public

L'univers a été créé par un bang géant, le Big Bang il y a 13,8 milliards d'années, puis il a commencé à s'étendre. L'expansion se poursuit : elle s'étend toujours dans tous les sens comme un ballon qu'on gonfle.

Les physiciens sont d'accord là-dessus, mais quelque chose ne va pas. Mesurer le taux d'expansion de l'univers de différentes manières conduit à des résultats différents.

Alors, est-ce que quelque chose ne va pas avec les méthodes de mesure? Ou se passe-t-il quelque chose dans l'univers que les physiciens n'ont pas encore découvert et donc n'ont pas pris en compte ?

Il pourrait très bien s'agir de ce dernier, selon plusieurs physiciens, dont Martin S. Sloth, professeur de cosmologie à l'Université du Danemark du Sud (SDU).

Dans un nouvel article scientifique, lui et son collègue du SDU, le postdoctorant Florian Niedermannn, proposent l'existence d'un nouveau type d'énergie noire dans l'univers. Si vous l'incluez dans les différents calculs de l'expansion de l'univers, les résultats seront plus semblables.

"Un nouveau type d'énergie noire peut résoudre le problème des calculs contradictoires", explique Martin S. Sloth.

Mesures contradictoires

Lorsque les physiciens calculent le taux d'expansion de l'univers, ils basent leur calcul sur l'hypothèse que l'univers est composé d'énergie noire, de matière noire et de matière ordinaire. Jusqu'à récemment, tous les types d'observations cadraient avec un tel modèle de la composition de l'univers en matière et en énergie, mais ce n'est plus le cas.

Des résultats contradictoires apparaissent lorsque l'on examine les dernières données des mesures des supernovae et du rayonnement de fond cosmique micro-ondes, les deux méthodes conduisent tout simplement à des résultats différents pour le taux d'expansion.

"Dans notre modèle, nous constatons que s'il y avait un nouveau type d'énergie extra-noire dans l'univers primitif, cela expliquerait à la fois le rayonnement de fond et les mesures de la supernova simultanément et sans contradiction", explique Sloth.

D'une phase à l'autre

"Nous pensons que dans l'univers primitif, l'énergie noire existait dans une phase différente. Vous pouvez la comparer au moment où l'eau est refroidie et elle subit une transition de phase en glace avec une densité plus faible", explique-t-il et poursuit :

"De la même manière, l'énergie noire dans notre modèle subit une transition vers une nouvelle phase avec une densité d'énergie plus faible, modifiant ainsi l'effet de l'énergie noire sur l'expansion de l'univers."

D'après les calculs de Sloth et Niedermann, les résultats s'additionnent si l'on imagine que l'énergie noire a ainsi subi une transition de phase déclenchée par l'expansion de l'univers.

Un processus très violent

"C'est une transition de phase où de nombreuses bulles de la nouvelle phase apparaissent soudainement, et lorsque ces bulles se dilatent et entrent en collision, la transition de phase est terminée. À l'échelle cosmique, c'est un processus de mécanique quantique très violent", explique Sloth.

On connaît aujourd'hui env. 20% de la matière dont est fait l'univers. C'est la matière dont vous et moi, les planètes et les galaxies sont faits. L'univers se compose également de matière noire, dont personne ne sait ce qu'est.

De plus, il y a de l'énergie noire dans l'univers, c'est l'énergie qui provoque l'expansion de l'univers, et elle représente env. 70% de la densité énergétique de l'univers.


L'expansion de l'univers affecte-t-elle les constellations ?

Compte tenu de l'expansion de l'Univers, la distance des étoiles comme celles de la ceinture d'Orion a-t-elle changé d'une magnitude notable pour nos yeux nus tout au long de notre vie ? Ou est-ce que le fait qu'ils soient dans notre galaxie les maintient toujours à la même distance ?

Alnitak, Alnilam et Mintaka sont les étoiles bleuâtres brillantes d'est en ouest (de gauche à droite) le long de . [+] la diagonale dans cette magnifique vue cosmique. Autrement connu sous le nom de ceinture d'Orion, ces trois étoiles supergéantes bleues sont plus chaudes et beaucoup plus massives que le Soleil. Ils se trouvent à environ 1 000 années-lumière. Crédit image : utilisateur de wikimedia Astrowicht, CC BY-SA 3.0

Rien dans l'univers n'est complètement immobile, mais notre univers se comporte beaucoup plus comme votre deuxième option que la première.

Vous avez tout à fait raison de dire que les choses dans la galaxie ne s'étendent pas avec l'Univers dans son ensemble, et c'est parce que tout dans la galaxie est attaché gravitationnellement à la galaxie dans son ensemble et n'est pas si facile à extraire. 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 sont 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, très 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 The Astrophysical 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."


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