Siden starten for 13,8 milliarder år siden har universet fortsatt å utvide seg og spredt hundrevis av milliarder galakser og stjerner som rosiner i en raskt stigende deig. Astronomer har peket teleskoper på visse stjerner og andre kosmiske kilder for å måle avstanden fra jorden og fjerningshastigheten, to parametere som er nødvendige for å beregne Hubble-konstanten, en måleenhet som beskriver hastigheten universet utvides med.
Men til dags dato ga de mest nøyaktige forsøkene på å estimere Hubble-konstanten veldig spredte verdier og tillot ikke å ta en endelig konklusjon om hvor raskt universet vokser. Denne informasjonen skal ifølge forskere kaste lys over universets opprinnelse og dets skjebne: vil kosmos utvide seg uendelig eller vil en dag krympe?
Og så har forskere fra Massachusetts Institute of Technology og Harvard University foreslått en mer nøyaktig og uavhengig måte å måle Hubble-konstanten ved hjelp av gravitasjonsbølger fra relativt sjeldne systemer: et binært system svart hull - nøytronstjerne, et energisk par vridd i en spiral av et svart hull og en nøytronstjerne. Når disse objektene beveger seg i dansen, skaper de rystende bølger i tid og lysglimt når den siste kollisjonen inntreffer.
I et papir som ble publisert 12. juli i Physical Review Letters, rapporterte forskerne at lysutbruddet vil gjøre det mulig for forskere å estimere systemets hastighet, det vil si hvor raskt det beveger seg bort fra jorden. De utsendte gravitasjonsbølgene, hvis de fanges opp på jorden, skal gi en uavhengig og nøyaktig måling av avstanden til systemet. Til tross for at binære systemer med sorte hull og nøytronstjerner er utrolig sjeldne, anslår forskere at oppdagelsen av til og med noen få av dem vil gjøre det mest nøyaktige anslaget til Hubble-konstanten og utvidelseshastigheten til universet til dags dato.
"Binære systemer av sorte hull og nøytronstjerner er veldig komplekse systemer som vi ikke vet veldig lite om," sier Salvatore Vitale, lektor i fysikk ved MIT og hovedforfatter av avisen. "Hvis vi finner en, vil prisen være vårt radikale gjennombrudd i forståelsen av universet."
Vitale er medforfatter av Hsin-Yu Chen fra Harvard.
Kampanjevideo:
Konkurrerende konstanter
To uavhengige målinger av Hubble-konstanten ble nylig tatt, den ene ved hjelp av NASAs Hubble-romteleskop og den andre ved bruk av Den europeiske romfartsorganisasjonens Planck-satellitt. Hubbles måling var basert på observasjoner av en stjerne kjent som Cepheid-variabelen, samt observasjoner av supernovaer. Begge disse objektene betraktes som "standardlys" for forutsigbarhet i lysstyrke, hvor forskere estimerer avstanden til en stjerne og dens hastighet.
En annen type vurdering er basert på observasjoner av svingninger i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen - elektromagnetisk stråling som var igjen etter Big Bang, da universet fremdeles var i sin barndom. Selv om observasjonene av begge sonder er ekstremt nøyaktige, varierer deres estimater av Hubble-konstanten sterkt.
"Og det er her LIGO spiller inn," sier Vitale.
LIGO, eller laserinterferometrisk gravitasjonsbølgeobservatorium, ser etter gravitasjonsbølger - krusninger på stoffet i romtid, som er født som et resultat av astrofysiske katastrofer.
"Gravitasjonsbølger gir en veldig enkel og enkel måte å måle avstander til kildene sine," sier Vitale. "Det vi fant med LIGO er et direkte avtrykk av avstanden til kilden, uten ytterligere analyse."
I 2017 fikk forskere sin første sjanse til å estimere Hubble-konstanten fra en gravitasjonsbølgekilde da LIGO og dets italienske motstykke Jomfruen oppdaget et par kolliderende nøytronstjerner for første gang i historien. Denne kollisjonen frigjorde en enorm mengde gravitasjonsbølger, som forskere målte for å bestemme avstanden fra jorden til systemet. Fusjonen sendte også ut et lysutbrudd som astronomer var i stand til å analysere med jordbaserte og romteleskoper for å bestemme systemets hastighet.
Etter å ha oppnådd begge målingene, beregnet forskerne en ny verdi for Hubble-konstanten. Anslaget kom imidlertid med en relativt stor usikkerhet på 14%, mye mer usikker enn verdiene beregnet ved hjelp av Hubble og Planck.
Vitale sier at mye av usikkerheten stammer fra det faktum at det er vanskelig å tolke avstanden fra et binært system til jorden ved å bruke gravitasjonsbølgene skapt av dette systemet.
"Vi måler avstand ved å se på hvor" høy "gravitasjonsbølgen er, det vil si hvor rene våre data på den vil være," sier Vitale. “Hvis alt er klart, kan du se at det er høyt og bestemme avstanden. Men dette gjelder bare delvis for binære systemer."
Faktum er at disse systemene, som genererer en virvlende energidisk når dansen til to nøytronstjerner utvikler seg, avgir gravitasjonsbølger ujevnt. De fleste gravitasjonsbølgene blir skutt fra midten av platen, mens mye mindre av dem blir skutt ut fra kantene. Hvis forskere oppdager et "høyt" gravitasjonsbølgesignal, kan dette indikere et av to scenarier: De oppdagede bølgene blir født ved kantene til et system som er veldig nær Jorden, eller bølgene kommer fra sentrum av et mye lenger system.
"Når det gjelder binære stjernesystemer, er det veldig vanskelig å skille mellom de to situasjonene," sier Vitale.
Ny bølge
I 2014, allerede før LIGO oppdaget de første gravitasjonsbølgene, observerte Vitale og hans kolleger at et binært system av et svart hull og en nøytronstjerne kunne gi en mer nøyaktig avstandsmåling enn binære nøytronstjerner. Teamet studerte hvor nøyaktig rotasjonen av et svart hull kan måles, forutsatt at disse objektene roterer på deres akse, som jorden, bare raskere.
Forskerne har modellert forskjellige sorte hullsystemer, inkludert sorte hull-nøytronstjernesystemer og binære nøytronstjernesystemer. Underveis ble det funnet at avstanden til det svarte hullet - nøytronstjernesystemer kan bestemmes mer nøyaktig enn til nøytronstjerner. Vitale sier dette skyldes spinning av det svarte hullet rundt nøytronstjernen, fordi det hjelper å bedre bestemme hvor gravitasjonsbølgene kommer fra i systemet.
"På grunn av den mer nøyaktige avstandsmåling, trodde jeg at binære sorte hull-nøytronstjernesystemer kan være et mer passende referansepunkt for måling av Hubble-konstanten," sier Vitale. "Siden den gang har det skjedd mye med LIGO, og gravitasjonsbølger ble oppdaget, så alt bleknet i bakgrunnen."
Vitale har nylig kommet tilbake til sin opprinnelige observasjon.
"Inntil nå har folk foretrukket binære nøytronstjerner som en måte å måle Hubble-konstanten ved hjelp av gravitasjonsbølger," sier Vitale. “Vi har vist at det er en annen type gravitasjonsbølgekilde som ikke har blitt utnyttet helt før: sorte hull og nøytronstjerner som danser rundt. LIGO begynner å samle inn data igjen i januar 2019 og vil være mye mer følsom, noe som betyr at vi kan se fjernere gjenstander. Derfor vil LIGO kunne se minst ett system med et svart hull og en nøytronstjerne, og helst alle tjuefem, og dette vil bidra til å løse den eksisterende spenningen i å måle Hubble-konstanten, forhåpentligvis, de neste årene.
Ilya Khel
