Stjernefusioner:En ny tyngdekraftstest, mørke energiteorier

Da forskere registrerede en krusning i rumtiden, efterfulgt inden for to sekunder af et tilhørende lysudbrud observeret af snesevis af teleskoper rundt om i verden, de havde været vidne til, for første gang, den eksplosive kollision og fusion af to neutronstjerner.

Den intense kosmologiske begivenhed, der blev observeret den 17. august, havde også andre efterklang her på Jorden:Det udelukkede en klasse af mørke energiteorier, der ændrer tyngdekraften, og udfordrede en stor klasse af teorier.

Mørk energi, som driver den accelererende ekspansion af universet, er et af de største mysterier i fysik. Det udgør omkring 68 procent af universets samlede masse og energi og fungerer som en slags antityngdekraft, men vi har endnu ikke en god forklaring på det. Kort fortalt, mørk energi virker for at skubbe stof væk fra hinanden, mens tyngdekraften virker til at trække stof sammen.

Neutronstjernefusionen skabte gravitationsbølger - en vridende forvrængning i rummet og tiden, som en kastet sten, der sender krusninger hen over en dam - der rejste omkring 130 millioner lysår gennem rummet, og ankom til Jorden på næsten samme øjeblik som det højenergilys, der sprang ud fra denne fusion.

Tyngdekraftens bølger signatur blev opdaget af et netværk af jordbaserede detektorer kaldet LIGO og Jomfru, og det første intense lysudbrud blev observeret af Fermi Gamma-ray rumteleskopet.

Den næsten samtidige ankomsttid er en meget vigtig test for teorier om mørk energi og tyngdekraft.

"Vores resultater gør betydelige fremskridt med at belyse naturen af ​​mørk energi, "sagde Miguel Zumalacárregui, en teoretisk fysiker, der er en del af Berkeley Center for Cosmological Physics ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley.

"De enkleste teorier har overlevet, "sagde han." Det handler virkelig om timingen. "

Han og Jose María Ezquiaga, der var besøgende ph.d. forsker i Berkeley Center for Kosmologisk Fysik, deltog i denne undersøgelse, som blev offentliggjort 18. december i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

En 100-årig "kosmologisk konstant" teori introduceret af Albert Einstein i forhold til hans arbejde med generel relativitet og nogle andre teorier, der stammer fra denne model, forbliver som levedygtige udfordrere, fordi de foreslår, at mørk energi er en konstant i både rum og tid:Gravitationsbølger og lysbølger påvirkes på samme måde af mørk energi, og dermed rejse i samme hastighed gennem rummet.

"Den foretrukne forklaring er denne kosmologiske konstant, "sagde han." Det er så simpelt, som det kommer til at blive. "

Der er nogle komplicerede og eksotiske teorier, der også holder til den test, som stjernefusionsmålingerne præsenterer. Massiv tyngdekraft, for eksempel - en teori om tyngdekraften, der tildeler en masse til en hypotetisk elementarpartikel kaldet en graviton - stadig har en flis af muligheder, hvis graviton har en meget lille masse.

Nogle andre teorier, selvom, der mente, at gravitationsbølgernes ankomst i tide ville blive adskilt fra stjernefusionens ankommende lyssignatur med langt længere perioder - der strækker sig op til millioner af år - forklar ikke, hvad der blev set, og skal ændres eller skrottes.

Undersøgelsen bemærker, at en klasse af teorier kendt som skalar-tensor-teorier især er udfordret af neutronstjernens fusionsobservationer, herunder Einstein-Aether, MOND-lignende (vedrørende ændret newtonsk dynamik), Galileon, og Horndeski -teorier, for at nævne et par stykker.

Med justeringer, nogle af de udfordrede modeller kan overleve den seneste test ved stjernefusionen, Zumalacárregui sagde, selvom de "mister noget af deres enkelhed" i processen.

Zumalacárregui sluttede sig til det kosmologiske center sidste år og er en Marie Sk?odowska-Curie global forsker, der har specialiseret sig i studier af tyngdekraft og mørk energi.

Han begyndte at undersøge, om gravitationsbølger kunne give en nyttig test af mørk energi efter meddelelsen fra februar 2016 om, at de to sæt gravitationsbølgedetektorer kaldet LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) fangede den første bekræftede måling af gravitationsbølger. Forskere mener, at disse bølger blev skabt ved sammenlægningen af ​​to sorte huller for at skabe et større sort hul.

Men den slags begivenheder frembringer ikke et tilhørende lysudbrud. "Du har brug for begge dele - ikke kun gravitationsbølger for at hjælpe med at teste teorier om tyngdekraft og mørk energi, " sagde Zumalacárregui.

En anden undersøgelse, som han udgav med Ezquiaga og andre i april 2017, undersøgt de teoretiske forhold, under hvilke tyngdekraftsbølger kunne rejse med en anden hastighed end lys.

En anden implikation for dette forskningsfelt er, at ved at indsamle gravitationsbølger fra disse og muligvis andre kosmologiske begivenheder, det kan være muligt at bruge deres karakteristiske signaturer som "standardsirener" til måling af universets ekspansionshastighed.

Dette er analogt med, hvordan forskere bruger lignende lyssignaturer til objekter - herunder en type eksploderende stjerner kendt som Type Ia -supernovaer og pulserende stjerner kendt som cepheids - som "standardlys" til at måle deres afstand.

Kosmologer bruger en kombination af sådanne målinger til at bygge en såkaldt afstandsstige til måling af, hvor langt væk et givet objekt er fra Jorden, men der er nogle uløste uoverensstemmelser, der sandsynligvis skyldes tilstedeværelse af rumstøv og ufuldkommenheder i beregninger.

Indsamling af flere data fra begivenheder, der genererer både gravitationsbølger og lys, kan også hjælpe med at løse forskellige målinger af Hubble -konstanten - en populær måler af universets ekspansionshastighed.

Hubblehastigheden kalibreret med supernovaer afstandsmålinger adskiller sig fra Hubblehastigheden opnået fra andre kosmologiske observationer, Zumalacárregui bemærkede, så at finde flere standardsirener som neutronstjernesammenlægninger kunne muligvis forbedre afstandsmålingerne.

Fusionsbegivenheden i neutronstjernen i august bød på en uventet, men meget velkommen mulighed, han sagde.

"Gravitationsbølger er en meget uafhængig bekræftelse eller tilbagevisning af afstandsstigemålingerne, " sagde han. "Jeg er virkelig spændt på de kommende år. I hvert fald nogle af disse ikke -standardiserede mørke energimodeller kunne forklare denne Hubble -hastighedsforskel.

”Måske har vi undervurderet nogle begivenheder, eller noget er uforklaret, at vi bliver nødt til at revidere universets standardkosmologi, "tilføjede han." Hvis denne standard holder, vi får brug for radikalt nye teoretiske ideer, som er svære at verificere eksperimentelt, som flere universer - multiverset. Imidlertid, hvis denne standard ikke fungerer, vi vil have flere eksperimentelle veje til at teste disse ideer. "

Nye instrumenter og himmelundersøgelser kommer online, som også har til formål at forbedre vores forståelse af mørk energi, herunder det Berkeley Lab-ledede Dark Energy Spectroscopic Instrument-projekt, der planlægges at starte i 2019. Og forskere, der studerer andre fænomener, såsom optiske illusioner i rummet forårsaget af gravitationslinser - en tyngdekraftsinduceret effekt, der får lys fra fjerne objekter til at bøje og forvrænge omkring tættere objekter - vil også være nyttige til at foretage mere præcise målinger.

"Det kan ændre den måde, vi tænker om vores univers og vores sted i det, "Sagde Zumalacárregui." Det kommer til at kræve nye ideer. "