Kunne gravitationsbølger afsløre, hvor hurtigt vores univers ekspanderer?

Siden den første gang eksploderede for 13,8 milliarder år siden, universet har ekspanderet, slæbte med det hundredvis af milliarder af galakser og stjerner, meget gerne rosiner i en hurtigt hævet dej.

Astronomer har peget teleskoper mod bestemte stjerner og andre kosmiske kilder for at måle deres afstand til Jorden og hvor hurtigt de bevæger sig væk fra os - to parametre, der er afgørende for at estimere Hubble -konstanten, en måleenhed, der beskriver den hastighed, hvormed universet ekspanderer.

Men til dato, den mest præcise indsats er landet på meget forskellige værdier af Hubble -konstanten, tilbyder ingen endelig løsning på, hvor hurtigt universet vokser. Denne information, forskere mener, kunne kaste lys over universets oprindelse, såvel som dens skæbne, og om kosmos vil ekspandere på ubestemt tid eller i sidste ende kollapse.

Nu har forskere fra MIT og Harvard University foreslået en mere præcis og uafhængig måde at måle Hubble -konstanten, ved hjælp af gravitationsbølger udsendt af et relativt sjældent system:en sort hul-neutronstjerne binær, en enorm energisk parring af et spiralformet sort hul og en neutronstjerne. Når disse objekter cirkler ind mod hinanden, de skulle producere rumrystende gravitationsbølger og et lysglimt, når de i sidste ende kolliderer.

I et papir, der skal offentliggøres 12. juli i Fysisk gennemgangsbreve , forskerne rapporterer, at lysglimt ville give forskere et skøn over systemets hastighed, eller hvor hurtigt den bevæger sig væk fra Jorden. De udsendte gravitationsbølger, hvis det opdages på Jorden, bør give en uafhængig og præcis måling af systemets afstand. Selvom binære sorte huller med neutronstjerner er utrolig sjældne, forskerne beregner, at detektering af selv få skulle give den mest nøjagtige værdi endnu for Hubble -konstanten og hastigheden for det ekspanderende univers.

"Sort hul-neutronstjernebinær er meget komplicerede systemer, som vi ved meget lidt om, "siger Salvatore Vitale, adjunkt i fysik ved MIT og hovedforfatter af papiret. "Hvis vi opdager en, prisen er, at de potentielt kan give et dramatisk bidrag til vores forståelse af universet. "

Vitales medforfatter er Hsin-Yu Chen fra Harvard.

Konkurrerende konstanter

To uafhængige målinger af Hubble -konstanten blev foretaget for nylig, en ved hjælp af NASAs Hubble -rumteleskop og en anden ved hjælp af European Space Agency's Planck -satellit. Hubble -rumteleskopets måling er baseret på observationer af en stjernetype kendt som en Cepheid -variabel, samt på observationer af supernovaer. Begge disse objekter betragtes som "standardlys, "for deres forudsigelige lysmønster, som forskere kan bruge til at estimere stjernens afstand og hastighed.

Den anden type estimat er baseret på observationer af udsvingene i den kosmiske mikrobølgebaggrund - den elektromagnetiske stråling, der blev tilovers i umiddelbar efterdybning af Big Bang, da universet stadig var i sin vorden. Selvom observationer fra begge sonder er ekstremt præcise, deres skøn over Hubble -konstanten er markant uenig.

"Det er her LIGO kommer ind i spillet, "Siger Vitale.

LIGO, eller Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, registrerer gravitationsbølger-krusninger i rumtidens Jell-O, frembragt af katastrofale astrofysiske fænomener.

"Gravitationsbølger giver en meget direkte og let måde at måle afstanden til deres kilder, "Vitale siger." Det, vi opdager med LIGO, er et direkte aftryk af afstanden til kilden, uden nogen ekstra analyse. "

I 2017, forskere fik deres første chance for at estimere Hubble-konstanten fra en gravitationsbølge kilde, da LIGO og dens italienske pendant Virgo opdagede et par kolliderende neutronstjerner for første gang. Kollisionen frigjorde en enorm mængde gravitationsbølger, som forskere målte for at bestemme systemets afstand fra Jorden. Fusionen frigav også et lysglimt, som astronomer fokuserede på med jord- og rumteleskoper for at bestemme systemets hastighed.

Med begge målinger, forskere beregnet en ny værdi for Hubble -konstanten. Imidlertid, skønnet kom med en relativt stor usikkerhed på 14 procent, meget mere usikker end de værdier, der er beregnet ved hjælp af Hubble -rumteleskopet og Planck -satellitten.

Vitale siger, at meget af usikkerheden stammer fra, at det kan være udfordrende at fortolke en neutronstjernes binærs afstand fra Jorden ved hjælp af de gravitationsbølger, som dette særlige system afgiver.

"Vi måler afstand ved at se på, hvor 'høj' gravitationsbølgen er, hvilket betyder, hvor klart det er i vores data, "Siger Vitale." Hvis det er meget klart, du kan se, hvor højt det er, og det giver afstanden. Men det er kun delvist sandt for neutronstjerne -binærer. "

Det er fordi disse systemer, som skaber en hvirvlende skive af energi, da to neutronstjerner spiraler ind mod hinanden, udsender gravitationsbølger på en ujævn måde. Størstedelen af ​​gravitationsbølgerne skyder lige ud fra midten af ​​disken, mens en meget mindre brøkdel slipper ud af kanterne. Hvis forskere opdager et "højt" gravitationsbølgesignal, det kan indikere et af to scenarier:de detekterede bølger stammer fra kanten af ​​et system, der er meget tæt på Jorden, eller bølgerne stammer fra midten af ​​et meget videre system.

"Med neutronstjerne -binære filer, det er meget svært at skelne mellem disse to situationer, "Siger Vitale.

En ny bølge

I 2014, før LIGO foretog den første påvisning af gravitationsbølger, Vitale og hans kolleger observerede, at et binært system bestående af et sort hul og en neutronstjerne kunne give en mere præcis afstandsmåling, sammenlignet med neutronstjernebinærerne. Teamet undersøgte, hvor præcist man kunne måle et sort hulles spin, da objekterne vides at snurre på deres akser, på samme måde som Jorden, men meget hurtigere.

Forskerne simulerede en række systemer med sorte huller, herunder sorte hul-neutronstjernebinærere og neutronstjernebinære. Som et biprodukt af denne indsats, teamet bemærkede, at de var i stand til mere præcist at bestemme afstanden til binære sorte huller-neutronstjerner, sammenlignet med neutronstjernebinærerne. Vitale siger, at dette skyldes spin af det sorte hul omkring neutronstjernen, som kan hjælpe forskere bedre med at lokalisere, hvorfra i systemet gravitationsbølgerne kommer.

"På grund af denne bedre afstandsmåling, Jeg troede, at binære binære sorte huller med neutronstjerner kunne være en konkurrencedygtig sonde til måling af Hubble-konstanten, "Siger Vitale." Siden da har der er sket meget med LIGO og opdagelsen af ​​gravitationsbølger, og alt dette blev sat på bagbrænderen. "

Vitale cirkulerede for nylig tilbage til sin oprindelige observation, og i dette nye papir, han satte sig for at besvare et teoretisk spørgsmål:

"Er det faktum, at hver sort-hul-neutronstjerne binær vil give mig en bedre afstand til at kompensere for, at potentielt, der er langt færre af dem i universet end neutronstjerne -binære filer? "siger Vitale.

For at besvare dette spørgsmål, teamet kørte simuleringer for at forudsige forekomsten af ​​begge typer binære systemer i universet, samt nøjagtigheden af ​​deres afstandsmålinger. Ud fra deres beregninger, de konkluderede, at selvom neutronbinarsystemer var i undertal af sorte hul-neutronstjernesystemer med 50-1, sidstnævnte ville give en Hubble -konstant, der i nøjagtighed ligner den førstnævnte.

Mere optimistisk, hvis binærerne med sort hul-neutronstjerner var lidt mere almindelige, men stadig sjældnere end neutronstjerne -binære filer, førstnævnte ville producere en Hubble -konstant, der er fire gange så præcis.

"Indtil nu, mennesker har fokuseret på binære neutronstjerner som en måde at måle Hubble -konstanten med gravitationsbølger, "Vitale siger." Vi har vist, at der er en anden type gravitationsbølge, som hidtil ikke er blevet udnyttet så meget:sorte huller og neutronstjerner, der spiraler sammen, "Vitale siger." LIGO vil begynde at tage data igen i januar 2019, og det vil være meget mere følsomt, hvilket betyder, at vi vil kunne se objekter længere væk. Så LIGO bør se mindst en sort hul-neutronstjerne binær, og hele 25, hvilket vil hjælpe med at løse den eksisterende spænding i målingen af ​​Hubble -konstanten, forhåbentlig i de næste par år. "