A 13,8 milliárd évvel ezelőtti megalakulása óta az univerzum tovább bővült, és a galaxisok és csillagok százmilliárdjait, mint a mazsola, egy gyorsan emelkedő tésztában szórta szét. A csillagászok bizonyos csillagokra és más kozmikus forrásokra mutattak teleszkópokat, hogy megmérjék a Földtől való távolságukat és eltávolítási sebességüket - két paraméterre van szükség a Hubble-állandó kiszámításához, amely mértékegység leírja az univerzum tágulási sebességét.
De a mai napig a Hubble-állandó becslésének legpontosabb kísérletei nagyon szétszórt értékeket adtak, és nem tették lehetővé a végső következtetés levonását arról, milyen gyorsan növekszik az univerzum. Ennek az információnak a tudósok szerint meg kell világítania az Univerzum eredetét és sorsát: a kozmosz végtelenül terjeszkedik-e, vagy egyszer csak zsugorodik?
Tehát a Massachusettsi Műszaki Intézet és a Harvard Egyetem tudósai pontosabb és függetlenebb módszert javasoltak a Hubble-állandó mérésére, viszonylag ritka rendszerek által kibocsátott gravitációs hullámok felhasználásával: fekete lyuk-neutroncsillag bináris rendszer, egy fekete lyuk által spirálban sodrott energetikai pár és egy neutroncsillag. Miközben ezek a tárgyak mozognak a táncban, tér-idő remegő hullámokat és fényvillanást hoznak létre, amikor a végső ütközés bekövetkezik.
A Physical Review Letters július 12-én megjelent cikkében a tudósok szerint a fényvillanás lehetővé teszi a tudósok számára, hogy megbecsüljék a rendszer sebességét, vagyis azt, hogy milyen gyorsan távolodik a Földtől. A kibocsátott gravitációs hullámoknak, ha azokat a Földön rögzítik, független és pontos mérést kell biztosítaniuk a rendszer távolságától. Annak ellenére, hogy a fekete lyukak és a neutroncsillagok bináris rendszerei hihetetlenül ritkák, a tudósok becslése szerint még ezek közül néhány felfedezése is a Hubble-állandó és az univerzum eddigi tágulási sebességének legpontosabb becslését teszi lehetővé.
"A fekete lyukak és a neutroncsillagok bináris rendszerei nagyon összetett rendszerek, amelyekről nagyon keveset tudunk" - mondja Salvatore Vitale, az MIT fizika docense és a cikk vezető szerzője. "Ha találunk egyet, akkor a díj radikális áttörésünk lesz az univerzum megértésében."
A Vitale társszerzője Hsin-Yu Chen, Harvard.
Promóciós videó:
Versenyző állandók
A közelmúltban két független mérést végeztek a Hubble-konstansról, az egyiket a NASA Hubble Űrtávcsőjével, a másikat az Európai Űrügynökség Planck műholdjával. Hubble mérése a Cepheid változó néven ismert csillag megfigyelésén, valamint a szupernóvák megfigyelésén alapult. Mindkét objektumot "standard gyertyának" tekintik a fényerő kiszámíthatósága szempontjából, amely alapján a tudósok megbecsülik a csillagtól való távolságot és annak sebességét.
Az értékelés egy másik típusa a kozmikus mikrohullámú háttér ingadozásainak megfigyelésén alapul - elektromágneses sugárzás, amely az ősrobbanás után maradt meg, amikor a világegyetem még gyerekcipőben járt. Bár mindkét szonda megfigyelései rendkívül pontosak, becsléseik a Hubble-állandóra nagymértékben eltérnek.
"És itt lép színre a LIGO" - mondja Vitale.
A LIGO, vagyis a lézeres interferometrikus gravitációs hullám megfigyelőközpont gravitációs hullámokat keres - hullámzik a téridő szövetén, amely asztrofizikai kataklizmák eredményeként születik meg.
"A gravitációs hullámok nagyon egyszerű és egyszerű módszert nyújtanak a forrásoktól való távolság mérésére" - mondja Vitale. "Amit a LIGO-val találtunk, az közvetlen elemzés a forrás távolságától, minden további elemzés nélkül."
2017-ben a tudósok első alkalmat kaptak arra, hogy egy gravitációs hullámforrás alapján megbecsüljék a Hubble-állandót, amikor a LIGO és olasz kollégája, a Szűz a történelem során először fedezett fel egy ütköző neutroncsillagot. Ez az ütközés hatalmas mennyiségű gravitációs hullámot szabadított fel, amelyeket a tudósok a Föld és a rendszer közötti távolság meghatározásához mértek. Az egyesülés egy olyan fénysugarat is kibocsátott, amelyet a csillagászok földi és űrtávcsövekkel elemezhettek a rendszer sebességének meghatározásához.
Miután mindkét mérést elvégezték, a tudósok új értéket számítottak ki a Hubble-állandóra. A becslés azonban viszonylag nagy, 14% -os bizonytalansággal járt, ami sokkal bizonytalanabb, mint a Hubble és Planck alkalmazásával kiszámított értékek.
Vitale szerint a bizonytalanság nagy része abból fakad, hogy a bináris rendszer és a Föld közötti távolság értelmezése nehéz a rendszer által létrehozott gravitációs hullámok felhasználásával.
"A távolságot úgy mérjük, hogy megvizsgáljuk, milyen" hangos "a gravitációs hullám, vagyis mennyire tiszták rajta az adataink." „Ha minden világos, láthatja, hogy hangos, és meghatározhatja a távolságot. De ez csak részben igaz a bináris rendszerekre."
Az a tény, hogy ezek a rendszerek, amelyek örvénylő energiakorongot generálnak, amikor két neutroncsillag tánca fejlődik, egyenetlenül bocsátanak ki gravitációs hullámokat. A gravitációs hullámok nagy részét a korong közepéről lövik le, míg a szélekből jóval kevesebbet. Ha a tudósok "hangos" gravitációs hullámjelet észlelnek, ez a két forgatókönyv egyikét jelezheti: az észlelt hullámok egy olyan rendszer szélén születnek, amely nagyon közel van a Földhöz, vagy a hullámok egy sokkal távolabbi rendszer közepéből származnak.
"A bináris csillagrendszerek esetében nagyon nehéz megkülönböztetni ezt a két helyzetet" - mondja Vitale.
Új hullám
2014-ben, még mielőtt a LIGO felfedezte volna az első gravitációs hullámokat, Vitale és munkatársai megfigyelték, hogy a fekete lyuk és a neutroncsillag bináris rendszere pontosabb távolságmérést biztosíthat, mint a bináris neutroncsillagok. A csapat azt vizsgálta, hogy a fekete lyuk forgása mennyire pontosan mérhető, feltéve, hogy ezek az objektumok a Földhöz hasonlóan csak gyorsabban forognak tengelyükön.
A kutatók különböző fekete lyukrendszereket modelleztek, beleértve a fekete lyukú neutroncsillag-rendszereket és a bináris neutroncsillag-rendszereket. Útközben kiderült, hogy a fekete lyuk - neutroncsillag-rendszerek távolsága pontosabban meghatározható, mint a neutroncsillagoké. Vitale szerint ez annak köszönhető, hogy a fekete lyuk forog a neutroncsillag körül, mert ez segít jobban meghatározni, hogy a gravitációs hullámok honnan származnak a rendszerben.
"A pontosabb távolságmérés miatt úgy gondoltam, hogy a bináris fekete lyuk-neutroncsillag-rendszerek alkalmasabbak lehetnek a Hubble-állandó mérésére" - mondja Vitale. "Azóta sok minden történt a LIGO-val, és gravitációs hullámokat fedeztek fel, így mindez háttérbe szorult."
Vitale nemrégiben visszatért eredeti megfigyeléséhez.
"Eddig az emberek a bináris neutroncsillagokat részesítették előnyben a Hubble-állandó gravitációs hullámok felhasználásával történő mérésének módjaként" - mondja Vitale. „Megmutattuk, hogy létezik egy másik típusú gravitációs hullámforrás, amelyet még nem használtak ki teljesen: fekete lyukak és neutroncsillagok táncolnak körülöttük. A LIGO 2019 januárjában kezdi újra az adatgyűjtést, és sokkal érzékenyebbé válik, ami azt jelenti, hogy távolabbi objektumokat is láthatunk. Ezért a LIGO képes lesz látni legalább egy fekete lyuk és egy neutroncsillag rendszerét, és lehetőleg mind a huszonötet, és ez remélhetőleg a következő években remélhetőleg megoldja a Hubble-állandó mérésében meglévő feszültséget.
Ilya Khel