Ti år før opdagelsen af ​​gravitationsbølger, to KITP-postdocs ved UC Santa Barbara havde en ny idé

Videnskabens historie er fyldt med historier om entusiastiske forskere, der langsomt vinder skeptiske kolleger over til deres synspunkt. Astrofysiker Scott Hughes kan relatere til disse fortællinger.

"I de første 15 eller 16 år af min karriere talte jeg til astronomer, og jeg havde altid det indtryk, at de var høfligt interesserede i, hvad jeg havde at sige, men betragtede mig som en lille vild-øjet entusiast, der fortalte dem om en flok enhjørninger, som mine venner og jeg opfostrede, " sagde Hughes.

"Nu, " fortsatte han, "der er mennesker, der går, 'Åh, alle de enhjørninger du fandt, kan jeg bruge dem til at løse mit problem? Har dine enhjørninger vinger? Er de glitrende?'"

Disse enhjørninger er gravitationsbølger, et fysikområde, som Hughes har specialiseret sig i. Mens han arbejdede som postdoktorale forskere ved UC Santa Barbaras Kavli Institut for Teoretisk Fysik (KITP), Hughes og hans kollega, Daniel Holz, var blandt de første til at foreslå at bruge fænomenerne, i kombination med teleskopbaserede observationer, at måle Hubble-konstanten, en fundamental størrelse involveret i beskrivelsen af ​​universets udvidelse.

Når universet udvider sig, det fører himmellegemer væk fra os. Dette strækker bølgelængden af ​​lys ud, vi detekterer fra disse objekter, får den til at falde i frekvens ligesom en sirene på en forbipasserende ambulance. Jo hurtigere objektet trækker sig tilbage, jo mere dens lys vil skifte mod den røde ende af spektret. Hubble-konstanten relaterer et objekts afstand fra Jorden til denne rødforskydning, og dermed genstandens hastighed, når den bliver båret væk.

Et af en astronoms bedste værktøjer til at beregne dette er et standardlys, enhver klasse af objekter, der altid har det samme, standard lysstyrke. Hvis videnskabsmænd kender lysstyrken af ​​et objekt, de kan bestemme dens afstand ved at måle, hvor svag den ser ud for os på Jorden.

I årtier har videnskabsmænd forsøgt at få nøjagtige målinger af Hubble-konstanten for at undersøge, hvorfor universet udvider sig, og, faktisk, accelererer. Dette går i sidste ende ud på at måle objekters rødforskydninger og matche dem med uafhængige målinger af objekternes afstande fra os. Imidlertid, disse to mest nøjagtige målinger, som videnskabsmænd i øjeblikket har for Hubble, er konstant uenige - en uendelig kilde til frustration for kosmologer.

Et forslag

Dette var det kosmologiske landskab i begyndelsen af ​​2000'erne, da Holz og Hughes havde stillinger som postdoktorale forskere ved KITP. "Scott havde tænkt på gravitationsbølger i et stykke tid, sagde Holz. Han var eksperten, og jeg var meget mere fokuseret på kosmologiske spørgsmål." Men Hughes' entusiasme pirrede hurtigt Holzs nysgerrighed, og de to begyndte at tale om tyngdebølgekosmologi på kontoret og på gåture langs Santa Barbara-bløffen.

Holz og Hughes krediterer deres tætte samarbejde til opførelsen af ​​den nye fløj af Kohn Hall i 2001. I første omgang, alle postdocs på KITP havde deres egne kontorer, forklarede Hughes, men konstruktionen tvang dem til at fordoble. "Pludselig brugte vi meget mere tid sammen med hinanden."

Et KITP-program fra 2002 om kosmologiske data vakte flammerne til deres interesse for emnet. Da Hughes rejste for at slutte sig til fakultetet på MIT, de var færdige med det første udkast til deres papir, der beskriver, hvordan man beregner Hubble-konstanten med gravitationsbølger. Efter to år i graviditeten offentliggjorde de endelig undersøgelsen i The Astrofysisk tidsskrift .

"Jeg havde en fantastisk tid med at skrive det papir med Scott, " sagde Holz. "Jeg lærte utrolig meget. Så meget, at jeg var overbevist om, at gravitationsbølger var fremtiden, og at jeg burde blande mig."

Ideen om at bruge gravitationsbølgekilder til at måle Hubble-konstanten var ikke ny. Konceptet blev først foreslået i et visionært papir tilbage i 1986 af Bernard Schutz. Og en række andre forestillinger om gravitationsbølger svævede også rundt i litteraturen i begyndelsen af ​​2000'erne. Men hvad Holz og Hughes gjorde var at syntetisere alle disse ideer og understrege gennemførligheden af ​​at kombinere data fra gravitationsbølger med opfølgende observationer ved hjælp af lys.

Undersøgelsen var også den første til at bruge udtrykket "standard sirene." Hughes huskede, at han diskuterede papiret med Caltech-astrofysiker Sterl Phinney, hvem bemærkede, "Hmm. Lidt ligesom et standard stearinlys, men du hører det. Du burde kalde det en standardsirene." Holz havde uafhængigt en næsten identisk samtale med fysikeren Sean Carroll, selv en tidligere KITP-postdoc. Holz og Hughes inkluderede udtrykket i deres papir, og det sad fast. Udtrykket er siden blevet allestedsnærværende i kosmologien.

"Udtrykket 'standardsirene' kan være vores mest varige bidrag, Scott, " bemærkede Holz. "Jeg tager det, " grinede Hughes.

Brug af gravitationsbølger til at måle Hubble-konstanten har mange fordele i forhold til andre metoder. Visse supernovaer giver anstændige standardlys, "men, som standard stearinlys, supernovaer er ikke særlig godt forstået, " sagde Holz. "Det vigtigste, der gør standardsirener interessante, er, at de forstås ud fra de første principper, direkte fra teorien om generel relativitet."

Ved brug af standard stearinlys, videnskabsmænd skal kalibrere afstandene for visse klasser af objekter ved hjælp af information fra andre, effektivt springer sig vej til en ordentlig afstandsmåling. Astronomer kalder denne metode for en "afstandsstige, " og fejl og usikkerhed kan snige sig ind på mange punkter i beregningerne.

I modsætning, gravitationsbølger kan give en direkte måling af et objekts afstand. "Du skriver bare ligningerne ned og løser dem, og så er du færdig, " sagde Holz. "Vi har testet generel relativitetsteori i hundrede år; det virker virkelig, og der står "her er hvor langt den kilde er." Der er ingen afstandsstige, der er ikke noget af det, der roder rundt."

Alle de tidlige artikler om måling af Hubble-konstanten ved hjælp af gravitationsbølger var noget spekulative, ifølge Holz. De var forslag til en fjern fremtid. "Vi havde ikke engang opdaget gravitationsbølger endnu, meget færre bølger fra to neutronstjerner, meget mindre med en optisk modpart, " sagde han. Men interessen og entusiasme for teknikken voksede.

Hughes husker, at kolleger kom hen til ham efter hans samtaler og spurgte om sandsynligheden for at observere en standardsirene i det næste årti. Han vidste ikke, men han sagde det med en bedre forståelse af det optiske modstykke, de kunne sandsynligvis lokalisere en begivenhed til inden for 10-20 kvadratgrader. "Og jeg tror, ​​at hvis du har det, hvert stykke stort glas på Jorden vil stirre på det sted på himlen, "Havde Hughes sagt. "Og, til sidst, det er præcis, hvad der skete."

Og så skete det

Den 17. august 2017, mindre end to år efter detektering af de første gravitationsbølger, LIGO- og Jomfru-observatorierne registrerede et signal fra fusionerende neutronstjerner. Takket være et alarmsystem, som Holz var med til at etablere, en byge af aktivitet fulgte, da næsten alle større jord- og rumbaserede observatorier trænede deres syn på begivenheden. Forskere indsamlede data om fusionen i hver region af det elektromagnetiske spektrum.

"Det er virkelig en af ​​de ting, hvor hvis det var sket før jeg gik på pension, Jeg ville have været glad, " sagde Hughes. "Men det skete faktisk, før jeg fyldte 50."

Pludselig, gravitationsbølgekosmologi var et rigtigt felt, og standardsirener var en anden del af værktøjssættet. "Men at noget bliver en del af værktøjssættet så hurtigt? Det er usædvanligt usædvanligt, " sagde Holz.

Det viser sig, at kosmologer har brug for et andet værktøj, fordi de i øjeblikket har to forskellige værdier for Hubble-konstanten. Metoder, der bruger den kosmiske mikrobølgebaggrund - svagt lys tilbage fra big bang - giver en værdi på omkring 68. I mellemtiden, Beregninger, der bruger Type Ia supernovaer - en række standardlys - giver lidt mere end 73.

Selvom de ser tætte ud, de to værdier adskiller sig faktisk med tre standardafvigelser, og begge har ret stramme fejlbjælker. Uenigheden gør kosmologer mere og mere bekymrede, da fejlbjælkerne på disse to værdier kun bliver strammere. Det kunne signalere et grundlæggende problem i vores forståelse af universet, og er genstand for en KITP-konference i juli.

Der er nogle få iboende forskelle mellem de to teknikker, selvom. Den kosmiske mikrobølgebaggrund afspejler forholdene i det tidlige univers, mens supernovaerne tegner et billede af det nuværende univers. "Der er en chance for, at der måske er sket noget meget mærkeligt og uventet mellem de tidlige og sene dage af universet, og det er derfor, disse værdier ikke stemmer overens, " sagde Holz. Men kosmologer ved det simpelthen ikke med sikkerhed.

At få en anden, uafhængig værdi for Hubble-konstanten vil hjælpe med at opklare denne gåde. "Fordi det er så rent og så direkte, denne måling vil være et meget overbevisende tal, " forklarede Holz. "I det mindste, det vil informere denne diskussion, hvis ikke bare løse det fuldstændigt."

Holz og hans kolleger, Hsin-Yu Chen og Maya Fishbach, har netop offentliggjort en artikel i tidsskriftet Nature, fandt ud af, at 20 til 30 observationer ville gøre det muligt for forskere at beregne Hubble-konstanten med en nøjagtighed på 2 procent, stram nok til at begynde at sammenligne det med de to værdier fra den kosmiske mikrobølgebaggrund og supernovaer.

Den her sommer, Holz er med til at organisere et KITP-program om den nye æra af gravitationsbølgefysik og astrofysik, og det nye felt af standard sirene kosmologi vil være et stort diskussionsemne. Faktisk, Holz hjalp også med at organisere KITP-hurtigreaktionsprogrammet, der bragte forskere sammen kort efter LIGOs første påvisning af gravitationsbølger.

Holz og Hughes krediterer deres succes til deres erfaringer på KITP. "Mens vi arbejdede sammen på KITP, blev vi to begejstrede for at måle Hubble-konstanten ved hjælp af gravitationsbølger, " sagde Holz. "Og det er præcis, hvad KITP handler om:at bringe forskellige mennesker sammen med forskellige baggrunde, rører i gryden og ser, hvad der sker."

I det sidste årti har Holzs karriere fokuseret på standard sirene-kosmologi. "Og det fantastiske er, at vi faktisk har gjort det, " sagde han. "Jeg hjalp med at skrive det papir, der foretog den første standard sirenemåling nogensinde. Det var præcis, hvad Scott og jeg havde antaget om år før."

"Hvis vi begge ikke havde været på KITP, er der ingen måde, jeg ville bruge en god del af mit liv på LIGO-telekonferencer lige nu, sagde Holz. Men jeg ville ikke have det anderledes.