Sorte hul-neutronstjernekollisioner kan hjælpe med at afgøre striden om universets udvidelse

At studere de voldsomme kollisioner af sorte huller og neutronstjerner kan snart give en ny måling af universets ekspansionshastighed, hjælpe med at løse en langvarig tvist, foreslår en ny simuleringsundersøgelse ledet af forskere ved UCL (University College London).

Vores to nuværende bedste måder at estimere universets ekspansionshastighed på – måling af lysstyrken og hastigheden af ​​pulserende og eksploderende stjerner, og ser på fluktuationer i stråling fra det tidlige univers – giver meget forskellige svar, at antyde, at vores teori om universet kan være forkert.

En tredje type måling, ser på eksplosionerne af lys og krusninger i rummets struktur forårsaget af sorte hul-neutronstjernekollisioner, skal hjælpe med at løse denne uenighed og afklare, om vores teori om universet skal omskrives.

Den nye undersøgelse, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , simuleret 25, 000 scenarier med sorte huller og neutronstjerner, der kolliderer, med henblik på at se, hvor mange der sandsynligvis ville blive opdaget af instrumenter på Jorden i midten til slutningen af ​​2020'erne.

Forskerne fandt ud af, at inden 2030, instrumenter på Jorden kunne mærke krusninger i rum-tid forårsaget af op til 3, 000 sådanne kollisioner, og at for omkring 100 af disse begivenheder, teleskoper ville også se ledsagende lyseksplosioner.

De konkluderede, at dette ville være nok data til at give en ny, fuldstændig uafhængig måling af universets ekspansionshastighed, præcis og pålidelig nok til at bekræfte eller afvise behovet for ny fysik.

Hovedforfatter Dr. Stephen Feeney (UCL Physics &Astronomy) sagde:"En neutronstjerne er en død stjerne, skabt, når en meget stor stjerne eksploderer og derefter kollapser, og den er utrolig tæt - typisk 10 miles på tværs, men med en masse op til det dobbelte af vores sol. Dens kollision med et sort hul er en katastrofal begivenhed, forårsager krusninger af rum-tid, kendt som gravitationsbølger, som vi nu kan opdage på Jorden med observatorier som LIGO og Jomfruen.

"Vi har endnu ikke detekteret lys fra disse kollisioner. Men fremskridt i følsomheden af ​​udstyr, der detekterer gravitationsbølger, sammen med nye detektorer i Indien og Japan, vil føre til et stort spring fremad i forhold til, hvor mange af disse typer begivenheder vi kan opdage. Det er utrolig spændende og burde åbne op for en ny æra for astrofysik."

For at beregne universets ekspansionshastighed, kendt som Hubble-konstanten, astrofysikere skal kende afstanden mellem astronomiske objekter fra Jorden samt den hastighed, hvormed de bevæger sig væk. At analysere gravitationsbølger fortæller os, hvor langt væk en kollision er, lader kun hastigheden bestemmes.

For at fortælle, hvor hurtigt galaksen, der er vært for en kollision, bevæger sig væk, vi ser på lysets "rødforskydning" - dvs. hvordan bølgelængden af ​​lys produceret af en kilde er blevet strakt ved dens bevægelse. Eksplosioner af lys, der kan ledsage disse kollisioner, ville hjælpe os med at lokalisere den galakse, hvor kollisionen fandt sted, giver forskere mulighed for at kombinere målinger af afstand og målinger af rødforskydning i den galakse.

Dr. Feeney sagde:"Computermodeller af disse katastrofale hændelser er ufuldstændige, og denne undersøgelse burde give ekstra motivation til at forbedre dem. Hvis vores antagelser er korrekte, mange af disse kollisioner vil ikke producere eksplosioner, som vi kan opdage - det sorte hul vil sluge stjernen uden at efterlade et spor. Men i nogle tilfælde kan et mindre sort hul først rive en neutronstjerne fra hinanden, før det sluger den, potentielt efterlade stof uden for hullet, der udsender elektromagnetisk stråling."

Medforfatter professor Hiranya Peiris (UCL Physics &Astronomy og Stockholm University) sagde:"Uenigheden om Hubble-konstanten er et af de største mysterier i kosmologi. Ud over at hjælpe os med at optrevle dette puslespil, rumtidens krusninger fra disse katastrofale begivenheder åbner et nyt vindue på universet. Vi kan forudse mange spændende opdagelser i det kommende årti."

Gravitationsbølger detekteres ved to observatorier i USA (LIGO Labs), en i Italien (Jomfruen), og en i Japan (KAGRA). Et femte observatorium, LIGO-Indien, er nu under opbygning.

Vores to bedste nuværende estimater af universets ekspansion er 67 kilometer pr. sekund pr. megaparsec (3,26 millioner lysår) og 74 kilometer pr. sekund pr. megaparsec. Den første er afledt af at analysere den kosmiske mikrobølgebaggrund, strålingen tilbage fra Big Bang, mens den anden kommer fra at sammenligne stjerner i forskellige afstande fra Jorden - specifikt cepheider, som har variabel lysstyrke, og eksploderende stjerner kaldet type Ia supernovaer.

Dr. Feeney forklarede:"Da mikrobølgebaggrundsmålingen kræver en komplet teori om universet, men det gør stjernemetoden ikke, uenigheden byder på fristende beviser på ny fysik ud over vores nuværende forståelse. Før vi kan fremsætte sådanne påstande, imidlertid, vi har brug for bekræftelse af uenigheden fra fuldstændig uafhængige observationer - vi mener, at disse kan tilvejebringes gennem sorte hul-neutronstjernekollisioner."

Undersøgelsen er udført af forskere ved UCL, Imperial College London, Stockholm Universitet og Amsterdam Universitet. Det blev støttet af Royal Society, det svenske forskningsråd (VR), Knut og Alice Wallenbergs Fond, og den nederlandske organisation for videnskabelig forskning (NWO).