Gravitationsbølger kan snart give et mål for universets ekspansion

For tyve år siden, videnskabsmænd var chokerede over at indse, at vores univers ikke kun udvider sig, men at det ekspanderer hurtigere over tid.

Fastgør den nøjagtige udvidelseshastighed, kaldet Hubble-konstanten efter den berømte astronom og UChicago-alumne Edwin Hubble, har været overraskende svært. Siden da har forskere brugt to metoder til at beregne værdien, og de spytter foruroligende forskellige resultater ud. Men sidste års overraskende fangst af gravitationsbølger, der udstrålede fra en neutronstjernekollision, tilbød en tredje måde at beregne Hubble-konstanten på.

Det var kun et enkelt datapunkt fra en kollision, men i et nyt blad udgivet 17. oktober i Natur , tre forskere fra University of Chicago vurderer, at givet hvor hurtigt forskere så den første neutronstjernekollision, de kunne have en meget nøjagtig måling af Hubble-konstanten inden for fem til ti år.

"Hubble-konstanten fortæller dig universets størrelse og alder; det har været en hellig gral siden kosmologiens fødsel. At beregne dette med gravitationsbølger kan give os et helt nyt perspektiv på universet, " sagde studieforfatter Daniel Holz, en UChicago-professor i fysik, der var medforfatter til den første sådan beregning fra 2017-opdagelsen. "Spørgsmålet er:Hvornår bliver det spilskiftende for kosmologien?"

I 1929, Edwin Hubble meddelte, at baseret på hans observationer af galakser ud over Mælkevejen, de så ud til at bevæge sig væk fra os - og jo længere væk galaksen er, jo hurtigere gik den tilbage. Dette er en hjørnesten i Big Bang-teorien, og det startede en næsten århundredelang søgning efter den nøjagtige hastighed, hvormed dette sker.

For at beregne den hastighed, hvormed universet udvider sig, videnskabsmænd har brug for to tal. Den ene er afstanden til et fjerntliggende objekt; den anden er, hvor hurtigt objektet bevæger sig væk fra os på grund af universets udvidelse. Hvis du kan se det med et teleskop, den anden mængde er forholdsvis let at bestemme, fordi lyset, du ser, når du ser på en fjern stjerne, bliver forskudt til rødt, når det trækker sig tilbage. Astronomer har brugt dette trick til at se, hvor hurtigt et objekt bevæger sig i mere end et århundrede - det er ligesom Doppler -effekten, hvor en sirene skifter tonehøjde, når en ambulance passerer.

'Større spørgsmål i beregninger'

Men at få et nøjagtigt mål for afstanden er meget sværere. Traditionelt, astrofysikere har brugt en teknik kaldet den kosmiske afstandsstige, hvor lysstyrken af ​​visse variable stjerner og supernovaer kan bruges til at bygge en række sammenligninger, der når ud til det pågældende objekt. "Problemet er, hvis du kradser under overfladen, der er mange trin med mange antagelser undervejs, " sagde Holz.

Måske er supernovaerne, der bruges som markører, ikke så konsistente som troet. Måske forveksler vi nogle slags supernovaer med andre, eller der er en ukendt fejl i vores måling af afstande til nærliggende stjerner. "Der er en masse kompliceret astrofysik der, der kan afvise aflæsninger på flere måder, " han sagde.

Den anden vigtige måde at beregne Hubble-konstanten på er at se på den kosmiske mikrobølgebaggrund - lysimpulsen skabt i begyndelsen af ​​universet, som stadig er svagt sporbar. Selvom det også er nyttigt, denne metode er også afhængig af antagelser om, hvordan universet fungerer.

Det overraskende er, at selvom videnskabsmænd, der udfører hver beregning, er sikre på deres resultater, de passer ikke sammen. Den ene siger, at universet ekspanderer næsten 10 procent hurtigere end det andet. "Dette er et stort spørgsmål i kosmologi lige nu, "sagde undersøgelsens første forfatter, Hsin-Yu Chen, dengang en kandidatstuderende ved UChicago og nu en stipendiat ved Harvard University's Black Hole Initiative.

Så opfangede LIGO-detektorerne deres første krusning i rum-tidens stof fra sammenstødet mellem to stjerner sidste år. Dette rystede ikke kun observatoriet, men selve astronomiområdet:At kunne både mærke gravitationsbølgen og se lyset af kollisionens eftervirkninger med et teleskop gav forskerne et kraftfuldt nyt værktøj. "Det var en slags forlegenhed af rigdom, " sagde Holz.

Gravitationsbølger tilbyder en helt anden måde at beregne Hubble-konstanten på. Når to massive stjerner styrter ind i hinanden, de udsender krusninger i rumtidens stof, som kan detekteres på Jorden. Ved at måle det signal, forskere kan få en signatur af massen og energien af ​​de kolliderende stjerner. Når de sammenligner denne aflæsning med styrken af ​​gravitationsbølgerne, de kan udlede, hvor langt væk det er.

Denne måling er renere og indeholder færre antagelser om universet, hvilket burde gøre det mere præcist, sagde Holz. Sammen med Scott Hughes ved MIT, han foreslog ideen om at foretage denne måling med gravitationsbølger parret med teleskopaflæsninger i 2005. Det eneste spørgsmål er, hvor ofte videnskabsmænd kunne fange disse begivenheder, og hvor gode data fra dem ville være.

'Det bliver kun mere interessant'

Avisen forudsiger, at når forskerne har opdaget 25 aflæsninger fra kollisioner med neutronstjerner, de vil måle udvidelsen af ​​universet med en nøjagtighed på 3 procent. Med 200 aflæsninger, det tal indsnævres til 1 procent.

"Det var noget af en overraskelse for mig, da vi kom ind i simuleringerne, " sagde Chen. "Det var tydeligt, at vi kunne nå præcision, og vi kunne nå det hurtigt. "

Et præcist nyt tal for Hubble-konstanten ville være fascinerende uanset svaret, sagde forskerne. For eksempel, en mulig årsag til misforholdet i de to andre metoder er, at tyngdekraftens natur kan have ændret sig over tid. Læsningen kan også kaste lys over mørk energi, en mystisk kraft, der er ansvarlig for universets ekspansion.

"Med den kollision, vi så sidste år, vi var heldige - det var tæt på os, så det var relativt nemt at finde og analysere, " sagde Maya Fishbach, en UChicago kandidatstuderende og den anden forfatter på papiret. "Fremtidige opdagelser vil være meget længere væk, men når vi får den næste generation af teleskoper, vi burde også være i stand til at finde modstykker til disse fjerne detektioner."

LIGO -detektorerne er planlagt til at begynde et nyt observationsforløb i februar 2019, sluttet sig til deres italienske kolleger hos VIRGO. Takket være en opgradering, Detektorernes følsomhed vil være meget højere – hvilket udvider antallet og afstanden af ​​astronomiske begivenheder, de kan opfange.

"Det bliver kun mere interessant herfra, " sagde Holz.