Gravitationsbølgeforskere foreslår ny metode til at forfine Hubble-konstanten - universets udvidelse og alder

Et team af internationale videnskabsmænd, ledet af Galician Institute of High Energy Physics (IGFAE) og ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), har foreslået en enkel og ny metode til at bringe nøjagtigheden af ​​Hubble-konstantmålingerne ned til 2 % ved hjælp af en enkelt observation af et par fusionerende neutronstjerner.

Universet er i konstant ekspansion. På grund af dette, fjerne objekter såsom galakser bevæger sig væk fra os. Faktisk, jo længere væk de er, jo hurtigere bevæger de sig. Forskere beskriver denne udvidelse gennem et berømt tal kendt som Hubble-konstanten, som fortæller os, hvor hurtigt objekter i universet trækker sig fra os afhængigt af deres afstand til os. Ved at måle Hubble-konstanten på en præcis måde, vi kan også bestemme nogle af universets mest fundamentale egenskaber, inklusive dens alder.

I årtier, videnskabsmænd har målt Hubbles konstant med stigende nøjagtighed, indsamler elektromagnetiske signaler udsendt i hele universet, men når frem til et udfordrende resultat:de to nuværende bedste målinger giver inkonsistente resultater. Siden 2015 har videnskabsmænd har forsøgt at tackle denne udfordring med videnskaben om gravitationsbølger, krusninger i rum-tidens stof, der rejser med lysets hastighed. Gravitationsbølger genereres i de mest voldsomme kosmiske begivenheder og giver en ny kanal for information om universet. De udsendes under kollisionen af ​​to neutronstjerner – de tætte kerner af kollapsede stjerner – og kan hjælpe videnskabsmænd med at grave dybere ned i Hubbles konstante mysterium.

I modsætning til sorte huller, fusionerende neutronstjerner producerer både gravitations- og elektromagnetiske bølger, såsom røntgenstråler, radiobølger og synligt lys. Mens gravitationsbølger kan måle afstanden mellem neutron-stjernesammensmeltningen og Jorden, elektromagnetiske bølger kan måle, hvor hurtigt hele dens galakse bevæger sig væk fra Jorden. Dette skaber en ny måde at måle Hubble-konstanten på. Imidlertid, selv ved hjælp af gravitationsbølger, det er stadig vanskeligt at måle afstanden til neutronstjernefusioner – dvs. delvis, hvorfor aktuelle gravitationsbølgebaserede målinger af Hubble-konstanten har en usikkerhed på ~16 %, meget større end eksisterende målinger ved brug af andre traditionelle teknikker.

I en nylig offentliggjort artikel i Astrofysiske tidsskriftsbreve , et team af videnskabsmænd ledet af ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) og Monash University alumni Prof Juan Calderón Bustillo (nu La Caixa Junior Leader og Marie Curie Fellow ved det galiciske institut for højenergifysik ved University of Santiago de Compostela , Spanien), har foreslået en enkel og ny metode til at bringe nøjagtigheden af ​​disse målinger ned til 2 % ved hjælp af en enkelt observation af et par fusionerende neutronstjerner.

Ifølge prof Calderón Bustillo, det er svært at fortolke, hvor langt væk disse fusioner sker, fordi "p.t. vi kan ikke sige, om det binære er meget langt væk og vender mod Jorden, eller hvis det er meget tættere på, med Jorden i sit baneplan." For at vælge mellem disse to scenarier, holdet foreslog at studere sekundært, meget svagere komponenter i gravitationsbølgesignalerne, der udsendes af neutronstjernesammensmeltninger, kendt som højere tilstande.

"Ligesom et orkester spiller forskellige instrumenter, neutronstjernefusioner udsender gravitationsbølger gennem forskellige tilstande, " forklarer prof Calderón Bustillo. "Når de fusionerende neutronstjerner vender mod dig, du vil kun høre det højeste instrument. Imidlertid, hvis du er tæt på fusionens orbitalplan, du bør også høre de sekundære. Dette giver os mulighed for at bestemme hældningen af ​​neutron-stjerne-fusionen, og bedre måle afstanden."

Imidlertid, metoden er ikke helt ny:"Vi ved, at dette fungerer godt i tilfælde af meget massive sorte hul-fusioner, fordi vores nuværende detektorer kan registrere fusionsøjeblikket, når de højere tilstande er mest fremtrædende. Men i tilfælde af neutronstjerner, tonehøjden af ​​fusionssignalet er så høj, at vores detektorer ikke kan optage det. Vi kan kun registrere de tidligere baner, " siger prof Calderón Bustillo.

Fremtidige gravitationsbølgedetektorer, ligesom det foreslåede australske projekt NEMO, vil være i stand til at få adgang til selve fusionsstadiet af neutronstjerner. "Når to neutronstjerner smelter sammen, kernefysikken, der styrer deres materie, kan forårsage meget rige signaler, som, hvis det opdages, kunne tillade os at vide nøjagtigt, hvor Jorden sidder i forhold til fusionens kredsløbsplan, " siger medforfatter og OzGrav Chief Investigator Dr. Paul Lasky, fra Monash University. Dr. Lasky er også en af ​​lederne på NEMO-projektet. "En detektor som NEMO kunne detektere disse rige signaler, " tilføjer han.

I deres undersøgelse, holdet udførte computersimuleringer af neutronstjernefusioner, der kan afsløre virkningen af ​​stjernernes kernefysik på gravitationsbølgerne. Ved at studere disse simuleringer, holdet fastslog, at en detektor som NEMO kunne måle Hubbles konstant med en præcision på 2 %.

Medforfatter til undersøgelsen Prof Tim Dietrich, fra universitetet i Potsdam, siger:"Vi fandt ud af, at fine detaljer, der beskriver den måde, neutroner opfører sig inde i stjernen, producerer subtile signaturer i gravitationsbølgerne, som i høj grad kan hjælpe med at bestemme universets ekspansionshastighed. Det er fascinerende at se, hvordan effekter på den mindste kerneskala kan udlede hvad der sker ved den størst mulige kosmologiske."

Samson Leong, bachelorstuderende ved The Chinese University of Hong Kong og medforfatter af undersøgelsen påpeger "en af ​​de mest spændende ting ved vores resultat er, at vi opnåede en så stor forbedring, mens vi overvejede et ret konservativt scenarie. Mens NEMO faktisk vil være følsomme overfor emission af neutronstjernefusioner, mere udviklede detektorer som Einstein Telescope eller Cosmic Explorer vil være endnu mere følsomme, giver os derfor mulighed for at måle udvidelsen af ​​universet med endnu bedre nøjagtighed!"

En af de mest enestående implikationer af denne undersøgelse er, at den kunne afgøre, om universet udvider sig ensartet i rummet, som den nuværende hypotese er. "Tidligere metoder til at opnå dette niveau af nøjagtighed er afhængige af at kombinere mange observationer, antager, at Hubble-konstanten er den samme i alle retninger og gennem universets historie, " siger Calderón Bustillo. "I vores tilfælde, hver enkelt begivenhed ville give et meget nøjagtigt estimat af "sin egen Hubble-konstant, "det giver os mulighed for at teste, om dette faktisk er en konstant, eller om det varierer gennem rum og tid."