Od svojega začetka pred 13,8 milijardami let se je vesolje še naprej širilo in v hitro naraščajočem testu razpršilo na stotine milijard galaksij in zvezd kot rozine. Astronomi so usmerili teleskope na nekatere zvezde in druge kozmične vire, da bi izmerili njihovo razdaljo od Zemlje in hitrost odstranjevanja, dva parametra, ki sta potrebna za izračun Hubblove konstante, merske enote, ki opisuje hitrost širjenja vesolja.
Toda doslej so najbolj natančni poskusi ocene Hubblove konstante dali zelo razpršene vrednosti in niso omogočali dokončnega zaključka o tem, kako hitro vesolje raste. Po podatkih znanstvenikov naj bi te informacije osvetlile izvor Vesolja in njegovo usodo: ali se bo vesolje neskončno širilo ali se bo nekoč skrčilo?
Tako so znanstveniki s Tehnološkega inštituta Massachusetts in Univerze Harvard predlagali natančnejši in neodvisnejši način merjenja Hubblove konstante z uporabo gravitacijskih valov, ki jih oddajajo razmeroma redki sistemi: binarni sistem črna luknja - nevtronska zvezda, energijski par, ki ga v spiralo zvije črna luknja in nevtronska zvezda. Ko se ti predmeti premikajo v plesu, ob zadnjem trku ustvarijo valove, ki tresejo prostor-čas, in blisk svetlobe.
V prispevku, objavljenem 12. julija v časopisu Physical Review Letters, so znanstveniki poročali, da bo izbruh svetlobe znanstvenikom omogočil, da ocenijo hitrost sistema, torej kako hitro se oddaljuje od Zemlje. Če bodo oddani gravitacijski valovi zajeti na Zemlji, bi morali zagotavljati neodvisno in natančno merjenje razdalje do sistema. Kljub temu, da so binarni sistemi črnih lukenj in nevtronskih zvezd neverjetno redki, znanstveniki ocenjujejo, da bo odkritje celo nekaterih najbolj natančno ocenilo Hubblovo konstanto in hitrost širjenja vesolja doslej.
"Binarni sistemi črnih lukenj in nevtronskih zvezd so zelo zapleteni sistemi, o katerih vemo zelo malo," pravi Salvatore Vitale, izredni profesor fizike na MIT in vodilni avtor prispevka. "Če ga najdemo, bo nagrada naš radikalen preboj v razumevanju vesolja."
Vitale je soavtor Hsin-Yu Chen s Harvarda.
Promocijski video:
Konkurenčne konstante
Pred kratkim sta bili opravljeni dve neodvisni meritvi Hubblove konstante, ena z uporabo NASA-jevega vesoljskega teleskopa Hubble, druga pa s satelitom Evropske vesoljske agencije Planck. Hubblove meritve so temeljile na opazovanjih zvezde, znane kot spremenljivka Cefeid, pa tudi na opazovanjih supernov. Oba predmeta za predvidljivost svetlosti veljata za "standardni sveči", s pomočjo katere znanstveniki ocenjujejo razdaljo do zvezde in njeno hitrost.
Druga vrsta ocene temelji na opazovanjih nihanj v kozmičnem mikrovalovnem ozadju - elektromagnetnem sevanju, ki je ostalo po velikem poku, ko je bilo vesolje še v povojih. Čeprav so opazovanja obeh sond izjemno natančna, se njihove ocene Hubblove konstante močno razlikujejo.
"In tu nastopi LIGO," pravi Vitale.
LIGO ali laserski interferometrični observatorij gravitacijskih valov išče gravitacijske valove - valove na tkanini prostora-časa, ki se rodijo kot posledica astrofizičnih kataklizem.
"Gravitacijski valovi omogočajo zelo preprost in enostaven način merjenja razdalje do svojih virov," pravi Vitale. "Kar smo našli pri LIGO, je neposreden odtis razdalje do vira, brez nadaljnje analize."
Leta 2017 so znanstveniki dobili prvo priložnost za oceno Hubblove konstante iz vira gravitacijskih valov, ko sta LIGO in njegova italijanska kolegica Devica prvič v zgodovini odkrila par trkajočih nevtronskih zvezd. Ta trk je sprostil ogromno gravitacijskih valov, ki so jih znanstveniki izmerili, da bi določili razdaljo od Zemlje do sistema. Združitev je prav tako oddala izbruh svetlobe, ki so jo astronomi lahko analizirali s zemeljskimi in vesoljskimi teleskopi, da bi ugotovili hitrost sistema.
Po dobljenih obeh meritvah so znanstveniki izračunali novo vrednost Hubblove konstante. Vendar je ocena prišla s sorazmerno veliko negotovostjo 14%, veliko bolj negotovo kot vrednosti, izračunane s pomočjo Hubbla in Plancka.
Vitale pravi, da večina negotovosti izhaja iz dejstva, da je interpretacija razdalje od binarnega sistema do Zemlje težka z uporabo gravitacijskih valov, ki jih ustvarja ta sistem.
"Razdalja merimo tako, da gledamo, kako" glasen "je gravitacijski val, torej kako čisti so naši podatki o njem," pravi Vitale. »Če je vse jasno, lahko vidite, da je glasen, in določite razdaljo. Toda to velja le delno za binarne sisteme."
Dejstvo je, da ti sistemi, ki z razvojem plesa dveh nevtronskih zvezd ustvarjajo vrtinčast disk energije, neenakomerno oddajajo gravitacijske valove. Večina gravitacijskih valov je posnetih iz središča diska, veliko manj pa jih je izstreljenih z robov. Če znanstveniki zaznajo "glasen" signal gravitacijskega vala, lahko to kaže na enega od dveh scenarijev: zaznani valovi se rodijo na robovih sistema, ki je zelo blizu Zemlje, ali valovi prihajajo iz središča precej bolj oddaljenega sistema.
"V primeru binarnih zvezdnih sistemov je zelo težko razlikovati med tema dvema situacijama," pravi Vitale.
Novi val
Leta 2014, še preden je LIGO zaznal prve gravitacijske valove, sta Vitale in njegovi kolegi ugotovila, da lahko binarni sistem črne luknje in nevtronske zvezde zagotavlja natančnejše merjenje razdalje kot binarne nevtronske zvezde. Skupina je preučevala, kako natančno je mogoče izmeriti vrtenje črne luknje, pod pogojem, da se ti predmeti na svoji osi, tako kot Zemlja, vrtijo le hitreje.
Raziskovalci so modelirali različne sisteme črne luknje, vključno s sistemi nevtronskih zvezd črne luknje in binarnimi sistemi nevtronskih zvezd. Med potjo je bilo ugotovljeno, da je razdaljo do sistemov črne luknje - nevtronskih zvezd mogoče določiti natančneje kot do nevtronskih zvezd. Vitale pravi, da je to posledica vrtenja črne luknje okoli nevtronske zvezde, ker pomaga bolje določiti, od kod prihajajo gravitacijski valovi v sistemu.
"Zaradi natančnejšega merjenja razdalje sem mislil, da so binarni sistemi nevtronskih zvezd s črno luknjo morda ustreznejša referenčna točka za merjenje Hubblove konstante," pravi Vitale. "Od takrat se je z LIGO zgodilo marsikaj in odkrili so gravitacijski valovi, zato je vse ušlo v ozadje."
Vitale se je pred kratkim vrnil k svojemu prvotnemu opazovanju.
"Do zdaj so ljudje raje uporabljali binarne nevtronske zvezde kot način merjenja Hubblove konstante z uporabo gravitacijskih valov," pravi Vitale. »Pokazali smo, da obstaja še ena vrsta vira gravitacijskih valov, ki še ni bila v celoti izkoriščena: črne luknje in nevtronske zvezde, ki plešejo okoli. LIGO bo znova začel zbirati podatke januarja 2019 in bo veliko bolj občutljiv, kar pomeni, da lahko vidimo bolj oddaljene predmete. Zato bo LIGO lahko videl vsaj en sistem črne luknje in nevtronske zvezde, ali bolje vseh petindvajset, kar bo pomagalo razrešiti obstoječo napetost pri merjenju Hubblove konstante, upajmo, v naslednjih nekaj letih.
Ilya Khel