Hvordan man bruger gravitationsbølger til at måle udvidelsen af ​​universet

Om morgenen den 17. aug. 2017, efter at have rejst i mere end hundrede millioner år, efterskælvene fra en massiv kollision i en galakse langt, langt væk nåede endelig Jorden.

Disse krusninger i rumtidens stof, kaldet gravitationsbølger, udløste alarmer ved to ultrafølsomme detektorer kaldet LIGO, at sende sms'er flyvende og videnskabsmænd, der scrambler. En af forskerne var prof. Daniel Holz ved University of Chicago. Opdagelsen havde givet ham den information, han havde brug for til at foretage en banebrydende ny måling af et af de vigtigste tal i astrofysikken: Hubbles konstante, som er den hastighed, hvormed universet udvider sig.

Hubble-konstanten rummer svarene på store spørgsmål om universet, ligesom dens størrelse, alder og historie, men de to vigtigste måder at bestemme dens værdi på har givet væsentligt forskellige resultater. Nu var der en tredje vej, som kunne løse et af de mest presserende spørgsmål inden for astronomi - eller det kunne styrke den snigende mistanke, holdt af mange i marken, at der mangler noget væsentligt i vores model af universet.

"I et glimt, vi havde en helt ny, fuldstændig uafhængig måde at foretage en måling af en af ​​de mest dybtgående størrelser i fysik, sagde Holz. Den dag vil jeg huske hele mit liv.

Da LIGO vender tilbage den 1. april, Holz og andre videnskabsmænd forbereder sig på flere data, der kan kaste lys over nogle af universets største spørgsmål.

Universelle spørgsmål

Vi har vidst, at universet udvider sig i lang tid (lige siden den fremtrædende astronom og UChicago-alun Edwin Hubble foretog den første måling af ekspansionen i 1929, faktisk), men i 1998, videnskabsmænd blev forbløffede over at opdage, at udvidelseshastigheden ikke aftager, efterhånden som universet ældes, men faktisk accelererer over tid. I de følgende årtier, da de forsøgte at bestemme satsen præcist, det er blevet tydeligt, at forskellige metoder til at måle hastigheden giver forskellige svar.

En af de to metoder måler lysstyrken af ​​supernovaer – eksploderende stjerner – i fjerne galakser; den anden ser på små udsving i den kosmiske mikrobølgebaggrund, det svage lys tilbage fra Big Bang. Forskere har arbejdet i to årtier for at øge nøjagtigheden og præcisionen for hver måling, og at udelukke virkninger, der kan kompromittere resultaterne; men de to værdier er stadig stædigt uenige med næsten 10 procent.

Fordi supernovametoden ser på relativt nærliggende objekter, og den kosmiske mikrobølgebaggrund er meget mere gammel, det er muligt, at begge metoder er rigtige - og at noget dybtgående ved universet har ændret sig siden tidernes begyndelse.

"Vi ved ikke, om den ene eller begge af de andre metoder har en form for systematisk fejl, eller hvis de faktisk afspejler en grundlæggende sandhed om universet, som mangler i vores nuværende modeller, sagde Holz. Enten er muligt.

Holz så muligheden for en tredje, fuldstændig uafhængig måde at måle Hubble-konstanten på - men det ville afhænge af en kombination af held og ekstreme ingeniørbedrifter.

'Standard sirene'

I 2005, Holz skrev et papir sammen med Scott Hughes fra Massachusetts Institute of Technology, der antydede, at det ville være muligt at beregne Hubble-konstanten gennem en kombination af gravitationsbølger og lys. De kaldte disse kilder "standardsirener, " et nik til "standard stearinlys", som refererer til de supernovaer, der blev brugt til at lave Hubble-konstantmålingen.

Men først ville det tage år at udvikle teknologi, der kunne opfange noget så flygtigt som krusninger i rumtidens struktur. Det er LIGO:et sæt enorme, ekstremt følsomme detektorer, der er indstillet til at opfange de gravitationsbølger, der udsendes, når der sker noget stort et sted i universet.

Den 17. august, 2017-bølger kom fra to ekstremt tunge neutronstjerner, som havde spiraleret rundt og rundt om hinanden i en fjern galakse, før de til sidst slog sammen tæt på lysets hastighed. Kollisionen sendte gravitationsbølger bølgende hen over universet og udløste også et lysudbrud, som blev opfanget af teleskoper på og omkring Jorden.

Det udbrud af lys var det, der sendte den videnskabelige verden i en tizzy. LIGO havde opfanget gravitationsbølgeaflæsninger før, men alle de foregående var fra kollisioner af to sorte huller, som ikke kan ses med konventionelle teleskoper.

Men de kunne se lyset fra de kolliderende neutronstjerner, og kombinationen af ​​bølger og lys låste op for en skattekiste af videnskabelige rigdomme. Blandt dem var de to oplysninger, Holz havde brug for for at gøre sin beregning af Hubble konstant.

Hvordan fungerer metoden?

For at gøre denne måling af Hubble konstant (opkaldt efter banebrydende videnskabsmand og UChicago alun Edwin Hubble), du har brug for at vide, hvor hurtigt et objekt – som et nyligt kollideret par neutronstjerner – trækker sig væk fra Jorden, og hvor langt væk det var til at begynde med. Ligningen er overraskende enkel. Det ser sådan ud:Hubble-konstanten er objektets hastighed divideret med afstanden til objektet, eller H=v/d.

Lidt kontraintuitivt, den nemmeste del at beregne er, hvor hurtigt objektet bevæger sig. Takket være den klare efterglød fra kollisionen, astronomer kunne pege teleskoper mod himlen og lokalisere galaksen, hvor neutronstjernerne kolliderede. Så kan de drage fordel af et fænomen kaldet rødforskydning:Når et fjerntliggende objekt bevæger sig væk fra os, farven på det lys, den afgiver, skifter lidt mod den røde ende af spektret. Ved at måle farven på galaksens lys, de kan bruge denne rødme til at vurdere, hvor hurtigt galaksen bevæger sig væk fra os. Dette er et århundrede gammelt trick for astronomer.

Den sværeste del er at få et nøjagtigt mål for afstanden til objektet. Det er her gravitationsbølger kommer ind. Signalet LIGO-detektorerne opfanger bliver fortolket som en kurve, sådan her:

Signalets form fortæller forskerne, hvor store de to stjerner var, og hvor meget energi kollisionen afgav. Ved at sammenligne det med, hvor stærke bølgerne var, da de nåede Jorden, de kunne udlede, hvor langt væk stjernerne måtte have været.

Startværdien fra kun denne ene standardsirene kom ud til at være 70 kilometer i sekundet pr. megaparsek. Det er lige midt imellem de to andre metoder, som finder omkring 73 (fra supernovametoden) og 67 (fra den kosmiske mikrobølgebaggrund).

Selvfølgelig, det er kun et enkelt datapunkt. Men LIGO-detektorerne tænder igen efter en opgradering for at øge deres følsomhed. Selvom ingen ved præcist, hvor ofte neutronstjerner kolliderer, Holz var medforfatter til et papir, der vurderer, at gravitationsbølgemetoden kan give en revolutionær, ekstremt præcis måling af Hubble-konstanten inden for fem år.

"Som tiden går, vi vil observere flere og flere af disse binære neutronstjernefusioner, og brug dem som standardsirener til støt at forbedre vores estimat af Hubble-konstanten. Afhængigt af hvor vores værdi falder, vi kan bekræfte den ene eller den anden metode. Eller vi kan finde en helt anden værdi, " sagde Holz. "Uanset hvad vi finder, det bliver interessant - og vil være et vigtigt skridt i at lære mere om vores univers."