Een foto van de Hubble ruimtetelescoop van een dubbel beeld van een quasar. NASA Hubble Space Telescope, Tommaso Treu/UCLA, and Birrer et al

Dubbel zicht op quasars helpt bij vaststellen van snelheid waarmee het universum uitdijt

Astronomen houden zich al bijna een eeuw lang bezig met de vraag hoe snel het heelal uitdijt, en verschillende studies zijn tot verschillende uitkomsten gekomen. Een team van astronomen heeft nu een nieuwe methode gebruikt om de hubbleconstante te berekenen aan de hand van dubbele beelden van een quasar, die het gevolg zijn van een zwaartekrachtlens. Hun bevindingen sluiten aan bij bepaalde eerdere resultaten, maar niet bij een andere meting. 

Centraal in de vraag hoe snel het heelal uitdijt, staat de hubbleconstante, een getal dat een verband legt tussen afstanden en de roodverschuiving van sterrenstelsels, de hoeveelheid waarmee licht wordt uitgerekt door het uitdijende heelal terwijl het naar de aarde reist. Omdat het heelal uitdijt, wordt de golflengte van het licht uitgerokken en dus langer, en verschuift ze dus naar het rode spectrum.

De hubbleconstante geeft de verhouding weer tussen de snelheid waarmee het uitdijen van het heelal een bepaalde afstand groter maakt, en de grootte van die afstand, bijvoorbeeld de verhouding tussen de snelheid waarmee een sterrenstelsel dat zich ver van ons bevindt, zich van de aarde verwijdert, en de afstand tussen dat sterrenstelsel en de aarde. 

Schattingen voor de hubbleconstante lopen uiteen van zo'n 67 tot 73 kilometer per seconde per megaparsec. Dat betekent dat twee punten in de ruimte die 1 megaparsec uit elkaar liggen (3,26 miljoen lichtjaar, zo'n 308 triljard kilometer), van elkaar weg gaan aan een snelheid tussen 67 en 73 kilometer per seconde (tussen 241.000 en 263.000 km/u). 

"De hubbleconstante vormt een verankering van de fysieke schaal van het universum", zei Simon Birrer in een persmededeling van de University of California, Los Angeles (UCLA). Birrer is een postdoctoraal onderzoeker aan UCLA en had de leiding over de nieuwe studie. Zonder een precieze waarde voor de constante kunnen astronomen de grootte van ver afgelegen sterrenstelsels of de ouderdom van het universum niet nauwkeurig bepalen, of een juist beeld krijgen van de geschiedenis van de expansie van het heelal.  

Voorstelling van hoe een quasar er kan uitzien, een zwart gat dat materie uit de omgeving opslokt. Gas en stof vormen een torus - een soort van donut - rond het zwarte gat, met boven- en onderaan wolken van geladen gas. Uit de regio in het centrum worden röntgenstralen uitgestoten, terwijl het stof in het grootste deel van de torus thermische infrarood straling uitzendt, warmte dus. NASA/ESA

Een nog niet gebruikte lichtbron

De meeste methoden om de hubbleconstante te berekenen, hebben twee ingrediënten: de afstand tot een bepaalde bron van licht en de roodverschuiving van die lichtbron. Birrer en zijn collega's zochten naar een lichtbron die nog niet gebruikt was in de berekeningen van andere onderzoekers, en kwamen terecht bij quasars, "fonteinen" van straling die aangedreven worden door gigantische zwarte gaten die materie uit de omgeving opslokken. 

Voor hun studie kozen de astronomen een specifieke ondergroep van de quasars, namelijk quasars waarvan het licht afgebogen wordt door de zwaartekracht van een tussenliggend sterrenstelsel, wat twee naast elkaar liggende beelden oplevert van de quasar. 

Het licht van die beelden volgt verschillende banen naar de aarde, en als de helderheid van de quasar schommelt, flikkeren de twee beelden onafhankelijk van elkaar en niet tegelijkertijd. Het tijdsverschil tussen de flikkeringen, samen met informatie over het zwaartekrachtveld van het tussenliggende sterrenstelsel, kan gebruikt worden om de weg te volgen die het licht heeft afgelegd naar de aarde, en de afstanden af te leiden tot de aarde van zowel de quasar als het sterrenstelsel. En aangezien de onderzoekers de roodverschuivingen kenden van de quasar en het sterrenstelsel, waren ze in staat om te schatten hoe snel het heelal uitdijt.

Het UCLA-team had eerder, als onderdeel van de internationale H0liCOW-samenwerking, die techniek toegepast op viervoudige beelden van quasars, waarbij er vier beelden van een quasar rond een tussenliggend sterrenstelsel verschijnen. Maar viervoudige beelden komen veel minder vaak voor, gedacht wordt dat dubbele beelden vijf keer talrijker zijn dan de viervoudige. 

Een viervoudig beeld van een quasar - de vier heldere stippen -, veroorzaakt door het zwaartekrachtlens-effect van een sterrenstelsel dat tussen de quasar en de aarde in ligt, de diffuse gloed in de foto. Elk beeld van de quasar geeft de toestand ervan weer op een bepaald punt in de tijd, en het tijdsverschil tussen de verschillende beelden wordt beïnvloed door de snelheid waarmee het heelal uitdijt, en dus de hubbleconstante. C.Impey (U.Arizona) et al./CASTLES Survey/NICMOS/HST/NASA

Jarenlang elke dag beelden van de quasar

Om de techniek te demonstreren, bestudeerde het team een quasar met dubbele beelden die bekend staat als SDSS J1206+4332, aan de hand van gegevens van de Hubble ruimtetelescoop, de Gemini en W.M. Keck observatoria en van het Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses (COSMOGRAIL) netwerk, een programma onder leiding van de Ecole Polytechnique de Lausanne in Zwitserland, dat bedoeld is om de waarde van de hubbleconstante vast te stellen. 

De onderzoekers namen jarenlang elke dag beelden van de quasar, zo zei Tommaso Treu, een professor fysica en astronomie aan de UCLA en de hoofdauteur van de studie, om heel precies het tijdsverschil tussen de beelden te meten. Vervolgens, om de best mogelijke schatting van de hubbleconstante te verkrijgen, combineerden ze de gegevens die ze zo verkregen hadden, met gegevens die eerder verzameld waren door hun medewerking aan het H0liCOW-initiatief over drie quasars met viervoudige beelden.

"De schoonheid van deze meting is dat ze zeer complementair is aan andere metingen, en er tegelijk onafhankelijk van is", zei Treu. 

Het team onder leiding van UCLA kwam uit op een schatting voor de hubbleconstante van zo'n 72,5 kilometer per seconde per megaparsec, een getal dat in de lijn ligt van wat andere onderzoekers hadden gevonden bij onderzoek dat gebruik maakte van de afstanden tot supernova's - ontploffende sterren in verafgelegen sterrenstelsels -, als belangrijkste maatstaf. Die beide schattingen liggen echter wel zo'n 8 procent hoger dan de uitkomst van een studie die gebruik maakt van de kosmische achtergrondstraling, een zwakke gloed  over heel de hemel die een overblijfsel is van zo'n 380.000 jaar na de oerknal, het ogenblik waarop licht voor het eerst ongehinderd door de ruimte kon stralen. 

"Als er werkelijk een verschil is tussen die waarden, betekent dat dat het universum een beetje ingewikkelder is", zo zei Treu. Anderzijds is het volgens hem ook mogelijk dat één meting verkeerd is - of zelfs alle drie.

De astronomen zijn nu op zoek naar meer quasars om de precisie van hun meting voor de hubbleconstante te verbeteren. Treu zei dat een van de belangrijkste lessen uit de studie is dat quasars met een dubbel beeld de onderzoekers veel meer lichtbronnen verschaffen voor hun berekeningen. Voorlopig spitst het team zich echter toe op de studie van 40 quasars met viervoudige beelden, omdat die potentieel meer bruikbare informatie kunnen opleveren dan quasars met een dubbel beeld. 

De nieuwe studie, waaraan ook de Belgische astrofysicus Dominique Sluse van het STAR-Institute van de Université de Liège heeft meegewerkt, is gepubliceerd in de Montly Notices of the Royal Astronomical Society.

Een uniek beeld: de eerste opname van een vijfvoudig beeld van een enkele quasar, in dit geval veroorzaakt door het zwaartekrachtlens-effect van een cluster van sterrenstelsels. De vijf beelden zijn de vier heldere, witte stippen rond het gele centrum van het centrale sterrenstelsel in de cluster, het vijfde beeld zit rechts daarvan ingebed in iets anders en is minder duidelijk zichtbaar. De cluster van sterrenstelsels wordt SDS J1004+4112 genoemd, en door de zwaartekracht ervan worden ook de beelden van een aantal andere verafgelegen sterrenstelsels vervormd tot een wirwar van bogen. NASA/ESA/K. Sharon (Tel Aviv University/E. Ofek (Caltech)