Sort hul kollisioner kan hjælpe os med at måle, hvor hurtigt universet udvider sig

Et sort hul er normalt der, hvor information forsvinder - men videnskabsmænd kan have fundet et trick til at bruge sine sidste øjeblikke til at fortælle os om universets historie.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Physical Review Letters , to University of Chicago astrofysikere fremlagde en metode til, hvordan man kan bruge par af kolliderende sorte huller til at måle, hvor hurtigt vores univers udvider sig – og dermed forstå, hvordan universet udviklede sig, hvad det er lavet af, og hvor det er på vej hen.

Især mener forskerne, at den nye teknik, som de kalder en "spektral sirene", måske kan fortælle os om universets ellers uhåndgribelige "teenageår".

En kosmisk hersker

En stor igangværende videnskabelig debat er præcis, hvor hurtigt universet udvider sig - et tal kaldet Hubble-konstanten. De forskellige metoder, der er tilgængelige indtil videre, giver lidt forskellige svar, og videnskabsmænd er ivrige efter at finde alternative måder at måle denne hastighed på. Det er især vigtigt at kontrollere nøjagtigheden af ​​dette tal, fordi det påvirker vores forståelse af grundlæggende spørgsmål som universets alder, historie og sammensætning.

Den nye undersøgelse tilbyder en måde at foretage denne beregning ved at bruge specielle detektorer, der opfanger de kosmiske ekkoer af sorte hul-kollisioner.

Af og til vil to sorte huller slå ind i hinanden - en begivenhed så kraftig, at den bogstaveligt talt skaber en krusning i rum-tid, der rejser hen over universet. Her på Jorden kan U.S. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) og det italienske observatorium Virgo opfange de krusninger, som kaldes gravitationsbølger.

I løbet af de sidste par år har LIGO og Jomfruen indsamlet aflæsningerne fra næsten 100 par sorte huller, der kolliderer.

Signalet fra hver kollision indeholder information om, hvor massive de sorte huller var. Men signalet har rejst gennem rummet, og i løbet af den tid har universet udvidet sig, hvilket ændrer signalets egenskaber. "Hvis du for eksempel tog et sort hul og satte det tidligere i universet, ville signalet ændre sig, og det ville ligne et større sort hul, end det i virkeligheden er," forklarede UChicago-astrofysiker Daniel Holz, en af ​​de to forfattere på papir.

Hvis videnskabsmænd kan finde ud af en måde at måle, hvordan dette signal ændrede sig, kan de beregne universets ekspansionshastighed. Problemet er kalibrering:Hvordan ved de, hvor meget det ændrede sig fra originalen?

I deres nye papir foreslår Holz og førsteforfatter Jose María Ezquiaga, at de kan bruge vores nyfundne viden om hele populationen af ​​sorte huller som et kalibreringsværktøj. For eksempel tyder nuværende beviser på, at de fleste af de opdagede sorte huller har mellem fem og 40 gange vores sols masse. "Så vi måler masserne af de nærliggende sorte huller og forstår deres træk, og så kigger vi længere væk og ser, hvor meget de yderligere ser ud til at have forskudt sig," sagde Ezquiaga, en NASA Einstein Postdoctoral Fellow og Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow arbejder med Holz på UChicago. "Og dette giver dig et mål for universets udvidelse."

Forfatterne kalder det "spektral sirene"-metoden, en ny tilgang til 'standardsirene'-metoden, som Holz og samarbejdspartnere har været banebrydende. (Navnet er en reference til 'standard stearinlys'-metoderne, der også bruges i astronomi.)

Forskerne er begejstrede, fordi metoden i fremtiden, efterhånden som LIGO's muligheder udvides, kan give et unikt vindue ind i universets "teenage"-år - for omkring 10 milliarder år siden - som er svære at studere med andre metoder.

Forskere kan bruge den kosmiske mikrobølgebaggrund til at se på universets allertidligste øjeblikke, og de kan se sig omkring på galakser nær vores egen galakse for at studere universets nyere historie. Men den mellemliggende periode er sværere at nå, og det er et område af særlig videnskabelig interesse.

"Det er omkring det tidspunkt, at vi skiftede fra at mørkt stof var den fremherskende kraft i universet til at mørk energi tog over, og vi er meget interesserede i at studere denne kritiske overgang," sagde Ezquiaga.

Den anden fordel ved denne metode, sagde forfatterne, er, at der er færre usikkerheder skabt af huller i vores videnskabelige viden. "Ved at bruge hele populationen af ​​sorte huller kan metoden kalibrere sig selv, direkte identificere og korrigere for fejl," sagde Holz. De andre metoder, der bruges til at beregne Hubble-konstanten, er afhængige af vores nuværende forståelse af stjernernes og galaksernes fysik, hvilket involverer en masse kompliceret fysik og astrofysik. Det betyder, at målingerne kan blive forkastet en del, hvis der er noget, vi endnu ikke ved.

I modsætning hertil er denne nye sorte hul-metode næsten udelukkende afhængig af Einsteins teori om tyngdekraften, som er velundersøgt og har stået op imod alle de måder, videnskabsmænd har forsøgt at teste den indtil nu.

Jo flere aflæsninger de har fra alle sorte huller, jo mere nøjagtig vil denne kalibrering være. "Vi har helst brug for tusindvis af disse signaler, som vi burde have om et par år, og endnu flere i det næste årti eller to," sagde Holz. "På det tidspunkt ville det være en utrolig kraftfuld metode til at lære om universet." + Udforsk yderligere

Hvor mange stjerner støder til sidst sammen som sorte huller? Universet har et budget til det