Schätzung der Expansion des Universums mit Licht von Supernova

Das erste, was ich vorstellen möchte, ist die Standardkerze , ein astronomisches Objekt mit einem sehr bekannten Leuchtkraft- und Emissionsprofil. Eine der besten Standardkerzen, die wir haben, ist die Type 1a Supernova . Diese Art von Supernova tritt nur in einer ganz bestimmten Weise auf, sodass alle Supernovae vom Typ 1a ungefähr die gleiche Leuchtkraft und das gleiche Emissionsprofil haben. Das bedeutet, dass alle Abweichungen in der visuellen Größe oder im beobachteten Spektrum auf den Weg zurückzuführen sind, den das Licht genommen hat, um uns zu erreichen. Die visuelle Größe hängt hauptsächlich von der Entfernung zur Supernova ab.

Vor diesem Hintergrund können Astronomen und Kosmologen die sogenannte Leuchtkraftentfernung verwenden , um die Entfernung von uns zur Supernova zu bestimmen. Dies gibt uns jedoch nur die Entfernung, die das Licht zurückgelegt hat; nicht die Entfernung zwischen uns und ihm jetzt .

Außerdem wird das Licht durch die Expansion des Universums rotverschoben. Wir wissen das, weil das Emissionsprofil, das wir bekommen, ungefähr so ​​aussieht (Bildquelle: European Southern Observatory):

Die untere Zeile entspricht einem nahegelegenen Typ1a und die obere Zeile entspricht einem weit entfernten Typ1a. Wie Sie sehen können, sieht das weiter entfernte gleich aus, außer dass alles leicht nach rechts verschoben ist. Das liegt an der Ausdehnung des Universums. Nun haben wir, wie gesagt, eine sehr konkrete Erwartung, wie das Emissionsprofil einer Supernova vom Typ 1a aussieht. Es sollte so aussehen, wie Sie es im Bild oben sehen. Das bedeutet, dass wir Rauschen oder Interferenzen von externen Quellen wie der Sonne einfach entfernen können. Externe Quellen würden das Profil, das wir sehen, leicht verändern. Sie könnten einen weiteren Peak hinzufügen oder das Rauschen erhöhen oder ein Emissionsband entfernen usw. Aber weil wir wissen, dass dies ein Typ 1a ist und wir wissen, was es sollteaussehen, können wir Störsignale herausfiltern. Dass sie die gleiche Helligkeit haben, ist weniger eine Annahme als vielmehr ein Verständnis dafür, wie diese Supernovae entstehen. Der spezifische Prozess, der sie erzeugt, bedeutet, dass sie alle ungefähr die gleiche Masse und Zusammensetzung haben, wenn sie (*boom*) explodieren, und daher die gleiche Leuchtkraft haben.

Nun, es ist wahr, dass sie sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen könnten und Sie dann zusätzlich zur kosmologischen Verschiebung eine Dopplerverschiebung erhalten würden. Indem wir jedoch Phänomene in der Nähe beobachten und ihre Wasserstoffemissionsprofile kartieren, können wir eine ungefähre Geschwindigkeit der Supernova relativ zu ihren benachbarten astronomischen Körpern (z. B. dem Superhaufen, zu dem sie gehört) bestimmen. Wir können davon ausgehen, dass der Supercluster nur eine Rezessionsgeschwindigkeit für uns hat, aber für weitere Präzision haben wir ein paar Optionen. Zuerst mitteln wir über viele Supernovae, was bedeutet, dass der Fehler aus der Doppler-Verschiebung einer Supernova über viele gemittelt wird. Zweitens hängt die Leuchtkraft hauptsächlich von der Entfernung ab, die das Licht zurücklegt, und wir gehen davon aus, dass es isotrop abgestrahlt wird. Dies bedeutet, dass die von uns gemessene Leuchtkraftentfernung nicht wesentlich von der Bewegung des Objekts beeinflusst wird.

Unter Verwendung der Rotverschiebung aus dem Emissionsprofil und der Leuchtkraft können wir eine genaue Entfernung zur Supernova ermitteln.

Indem wir viele Typ-1a-Supernovae in unterschiedlichen Entfernungen von uns messen, können wir genau bestimmen, wie viel Rotverschiebung etwas in einer bestimmten Entfernung erfährt. Daraus können wir sagen: "Das Universum muss sich daher für jeden Megaparsec zwischen uns und einem Objekt mit einer ungefähren Geschwindigkeit von H Kilometern pro Sekunde ausdehnen".

Darüber hinaus können wir abbilden, wie viel zusätzliche Ausdehnung es für eine in der Vergangenheit zurückgelegte Entfernung gab, je weiter Sie wegschauen, desto weiter zurück in die Vergangenheit. Dadurch können wir ein Zeitprofil erstellen. Das heißt, "Das Universum expandierte zum Zeitpunkt t seiner Geschichte mit einer Rate H". Das bedeutet auch, je weiter entfernt die Supernova ist, die wir messen, desto genauer sagt sie uns etwas über das Rotverschiebungsprofil in unserer Nähe. Daraus konnten wir erkennen, dass das Universum derzeit eine beschleunigte Expansion durchläuft.

Abgesehen davon befürchten Sie, dass es einfach sein könnte, die Idee, dass sich das Universum in alle Richtungen gleichmäßig ausdehnt, aus dem Fenster zu werfen? Denken Sie daran, dass wir Messungen an Standardkerzen vornehmen, die sich in alle Richtungen um uns herum befinden. Vor diesem Hintergrund zeigt die nächste Abbildung die gemessene Rotverschiebung verschiedener Supernovae vom Typ 1a über der Entfernung zu den Supernovae. Unter allen Datenpunkten ist eine durchgezogene schwarze Linie verborgen, die die Vorhersage unter Verwendung unseres theoretischen Expansionsprofils darstellt, das eine sphärische Symmetrie hat (das Modell geht davon aus, dass die Expansion in alle Richtungen gleich ist).

Bild mit freundlicher Genehmigung des Supernova Cosmology Project. Punkte sind Supernovae, vertikale Linien sind die zugehörigen Fehler

Hier finden grundsätzlich zwei Messungen statt: (i) die Rotverschiebung der Supernova (ii) die Spitzenhelligkeit der Supernova (obwohl letzteres etwas komplizierter ist).

Die Entfernung ergibt sich nicht aus der Rotverschiebung, sondern aus der scheinbaren Helligkeit der Supernovae. Die fraglichen Supernovae sind vom Typ Ia und fungieren als "Standardkerzen" - es wird angenommen, dass sie alle die gleiche intrinsische Leuchtkraft haben (mit einigen kleinen Korrekturen), und daher können lokale Kalibratoren mit besser geschätzten Entfernungen verwendet werden, um die Entfernung zu Supernovae abzuschätzen hohe Rotverschiebung. Es besteht auch die Annahme, dass das Licht isotrop (in alle Richtungen gleich) abgestrahlt wird. In diesem Fall gehorcht der Fluss von der Supernova dem Gesetz des umgekehrten Quadrats mit den entsprechenden Modifikationen aufgrund der Expansion des Universums.

Um kosmologische Parameter abzuschätzen, werden die beiden Messungen normalerweise mit Modellen in einem Beobachtungsplot verglichen, das als "Hubble-Diagramm" bezeichnet wird. Dies hat eine Rotverschiebung auf der x-Achse (dies ist der Betrag, um den das Licht eines Objekts durch die Expansion des Universums rotverschoben ist, und wird aus einem Spektrum gemessen und ist gegeben durch$z = \lambda/\lambda_0 - 1$, Wo$\lambda$ist die gemessene Wellenlänge und$\lambda_0$die Wellenlänge in Ruhe). Diese Messung ist extrem genau – normalerweise viel besser als 1 %. Auf der y-Achse ist die Differenz zwischen der scheinbaren Helligkeit und der absoluten Helligkeit der Supernova aufgetragen. Wie Sie anhand der Fehlerbalken sehen können, ist dies weniger genau. Modelle des expandierenden Universums können dann darüber gezeichnet werden, um zu sehen, welche am besten passen.

Die Beziehung zwischen Entfernung und Rotverschiebung, die durch das "Hubble-Gesetz" gegeben ist$v = H_0 d$, würde auf diesem Diagramm wie eine gerade Linie aussehen und funktioniert nur für Galaxien, die relativ nahe sind (damit meine ich weit genug entfernt, dass sie Teil der gleichförmigen Expansion sind, ohne lokale Effekte, aber nicht so weit entfernt, dass die Hubble-Konstante hat sich stark verändert). Wie Sie sehen können, gehorchen weiter entfernte Galaxien einem komplizierteren Gesetz, weil die Hubble-Konstante - nicht konstant ist; sie ändert sich mit der kosmischen Zeit in einer Weise, die von der Verlangsamung/Beschleunigung der Expansion und damit den kosmologischen Parametern abhängt.

Um Ihren Kommentar zu beantworten, der nach Isotropie fragt, gibt es absolut keinen Beweis dafür, dass diese Ergebnisse davon abhängen, in welche Richtung Sie schauen - die Ausdehnung ist in alle Richtungen gleich. Mir ist keine spezifische Arbeit bekannt, die sich damit in den Supernova-Daten befasst, aber hier ist ein Link zu dem Papier, in dem das obige Diagramm erscheint, es enthält die Datenpunkte und die Positionen der Supernovae - versuchen Sie es selbst ( http : //arxiv.org/abs/1310.3828 ) . Tatsächlich haben drei Personen den Nobelpreis für Typ-Ia-Supernovae gewonnen, weil ihre Ergebnisse trotz Betrachtung verschiedener Proben übereinstimmten, vermutlich in alle möglichen Richtungen.