Ny metode kan løse problemer med at måle universets ekspansion

Astronomer, der bruger National Science Foundation (NSF) radioteleskoper har demonstreret, hvordan en kombination af gravitationsbølge- og radioobservationer, sammen med teoretisk modellering, kan gøre fusionerne af par af neutronstjerner til en "kosmisk lineal", der er i stand til at måle universets udvidelse og løse et udestående spørgsmål om dets hastighed.

Astronomerne brugte NSF's Very Long Baseline Array (VLBA), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) og Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) for at studere eftervirkningerne af kollisionen af ​​to neutronstjerner, der producerede gravitationsbølger opdaget i 2017. Denne begivenhed tilbød en ny måde at måle på. universets ekspansionshastighed, kendt af videnskabsmænd som Hubble-konstanten. Universets ekspansionshastighed kan bruges til at bestemme dets størrelse og alder, samt tjene som et væsentligt værktøj til at fortolke observationer af objekter andre steder i universet.

To førende metoder til at bestemme Hubble-konstanten bruger egenskaberne fra den kosmiske mikrobølgebaggrund, reststrålingen fra Big Bang, eller en specifik type supernovaeksplosioner, kaldet Type Ia, i det fjerne univers. Imidlertid, disse to metoder giver forskellige resultater.

"Neutronstjernefusionen giver os en ny måde at måle Hubble-konstanten på, og forhåbentlig at løse problemet, " sagde Kunal Mooley, af National Radio Astronomy Observatory (NRAO) og Caltech.

Teknikken ligner den, der bruger supernova-eksplosioner. Type Ia-supernovaeksplosioner menes alle at have en iboende lysstyrke, som kan beregnes ud fra den hastighed, hvormed de lysner og derefter forsvinder. Måling af lysstyrken set fra Jorden fortæller derefter afstanden til supernovaeksplosionen. Måling af Doppler-forskydningen af ​​lyset fra supernovaens værtsgalakse indikerer den hastighed, hvormed galaksen trækker sig tilbage fra Jorden. Hastigheden divideret med afstanden giver Hubble-konstanten. For at få et nøjagtigt tal, mange sådanne målinger skal foretages på forskellige afstande.

Når to massive neutronstjerner støder sammen, de frembringer en eksplosion og et udbrud af gravitationsbølger. Formen af ​​gravitationsbølgesignalet fortæller forskerne, hvor "lys" det udbrud af gravitationsbølger var. Måling af "lysstyrken, " eller intensiteten af ​​gravitationsbølgerne, som modtaget på Jorden, kan give afstanden.

"Dette er et fuldstændigt uafhængigt målemiddel, som vi håber kan afklare, hvad den sande værdi af Hubble-konstanten er, " sagde Mooley.

Imidlertid, der er et twist. Intensiteten af ​​gravitationsbølgerne varierer med deres orientering i forhold til de to neutronstjerners baneplan. Tyngdebølgerne er stærkere i retningen vinkelret på orbitalplanet, og svagere, hvis orbitalplanet er kant-på set fra Jorden.

"For at bruge gravitationsbølgerne til at måle afstanden, vi havde brug for at kende den orientering, " sagde Adam Deller, fra Swinburne University of Technology i Australien.

Over en periode på måneder, astronomerne brugte radioteleskoperne til at måle bevægelsen af ​​en superhurtig stråle af materiale, der blev kastet ud fra eksplosionen. "Vi brugte disse målinger sammen med detaljerede hydrodynamiske simuleringer til at bestemme orienteringsvinklen, dermed tillade brug af gravitationsbølgerne til at bestemme afstanden, " sagde Ehud Nakar fra Tel Aviv Universitet.

Denne enkelt måling, af en begivenhed omkring 130 millioner lysår fra Jorden, endnu ikke er tilstrækkelig til at løse usikkerheden, sagde forskerne, men teknikken nu kan anvendes på fremtidige neutron-stjerne-fusioner detekteret med gravitationsbølger.

"Vi tror, ​​at 15 flere sådanne begivenheder, der kan observeres både med gravitationsbølger og i stor detalje med radioteleskoper, måske kan løse problemet, " sagde Kenta Hotokezaka, fra Princeton University. "Dette ville være et vigtigt fremskridt i vores forståelse af et af de vigtigste aspekter af universet, " han tilføjede.

Det internationale videnskabelige hold ledet af Hotokezaka rapporterer sine resultater i tidsskriftet Natur astronomi .