Eksplozja supernowej i fluktuacje czasoprzestrzenne powstałe w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych pomogły naukowcom dokładnie zmierzyć tempo ekspansji Wszechświata. Przyszłe pomiary tego rodzaju pomogą rozwiązać główny paradoks kosmologii, twierdzą naukowcy w czasopiśmie Nature Astronomy.
W 1929 roku słynny astronom Edwin Hubble udowodnił, że nasz Wszechświat nie stoi w miejscu, ale stopniowo się rozszerza. Pod koniec ubiegłego wieku astrofizycy odkryli, obserwując supernowe typu I, że rozszerza się ona nie ze stałą prędkością, ale z przyspieszeniem. Powodem tego jest dziś „ciemna energia” - tajemnicza substancja, która sprawia, że czasoprzestrzeń rozciąga się coraz szybciej.
W czerwcu 2016 r. Laureat Nagrody Nobla Adam Riess i jego koledzy, którzy odkryli to zjawisko, obliczyli dokładne tempo rozszerzania się dzisiejszego Wszechświata przy użyciu zmiennych cefeid w Drodze Mlecznej i sąsiednich galaktykach, a odległość do której można obliczyć z bardzo dużą precyzją.
To udoskonalenie dało niezwykle nieoczekiwany wynik - okazało się, że dwie galaktyki, oddalone od siebie o około 3 miliony lat świetlnych, rozpraszają się z prędkością około 73 kilometrów na sekundę. W tym roku opublikowali zaktualizowane wyniki obserwacji, w których wartość ta wzrosła jeszcze bardziej - 74 kilometry na sekundę.
Nowe pomiary Riesza i jego współpracowników okazały się prawie 10% wyższe od danych uzyskanych za pomocą orbitujących teleskopów WMAP i Planck - 69 kilometrów na sekundę i nie można tego wytłumaczyć naszymi obecnymi wyobrażeniami o naturze ciemnej energii i mechanizmie narodzin Wszechświata.
Te rozbieżności skłoniły kosmologów do rozważenia dwóch możliwych sposobów wyjaśnienia tej anomalii. Z jednej strony jest całkiem możliwe, że pomiary Plancka lub Riesza i jego współpracowników są błędne lub niepełne. Z drugiej strony jest całkiem dopuszczalne, że trzecia „ciemna” substancja, różna od ciemnej materii i energii, mogłaby istnieć we wczesnym Wszechświecie, jak również, że ta ostatnia mogłaby być niestabilna i stopniowo zanikać.
Kenta Hotokezaka z Princeton University (USA) i jego współpracownicy sprawili, że problem ten stał się jeszcze bardziej dotkliwy i kontrowersyjny, dokonując pierwszych stosunkowo dokładnych pomiarów szybkości rozszerzania się Wszechświata za pomocą obserwatorium grawitacyjnego LIGO i szeregu „konwencjonalnych” teleskopów optycznych.
Pierwsze tego typu pomiary, jak zauważa astrofizyk, naukowcy przeprowadzili pod koniec 2017 roku, kiedy LIGO zarejestrowało rozbłysk powstały w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych, a setki naziemnych i kosmicznych teleskopów były w stanie zlokalizować jego źródło w galaktyce NGC 4993 w konstelacji Hydry.
Film promocyjny:
Pierwsze pomiary LIGO były zbliżone do danych uzyskanych przez zespół Riesza, które wielu naukowców rozważało dalsze dowody na to, że tempo rozszerzania się Wszechświata może się znacznie zmienić. Hotokezaka i jego koledzy odkryli, że niekoniecznie tak jest, śledząc nie tylko fale grawitacyjne, ale także błysk światła i uwolnienie materii generowanej przez ten kataklizm.
W tych obserwacjach naukowcom pomógł fakt, że ten strumień rozżarzonej plazmy, jak mówi język fizyków, dżet nie był skierowany bezpośrednio na Ziemię, ale nieco od niej. Dzięki temu obserwatorom na naszej planecie wydaje się, że porusza się około cztery razy szybciej niż prędkość światła, „naruszając” teorię względności, niczym promień słońca czy cień.
Ta właściwość emisji, w połączeniu z pomiarami „grubości” dżetu w punkcie startu, pozwala bardzo dokładnie określić, w jakim kierunku był skierowany względem Ziemi oraz zmierzyć jego prędkość. Wszystkie te dane pozwalają nam z kolei określić odległość do źródła fal grawitacyjnych i dokładniej obliczyć, jak bardzo „rozciągały się” one podczas podróży z galaktyki NGC 4993 na Ziemię.
Takie udoskonalenia, jak zauważa Hotokezaka, przyniosły wielkie zaskoczenie - wartość stałej Hubble'a zbliżyła się nie do pomiarów Riesza i jego kolegów, ale do wyników Plancka i innych teleskopów obserwujących mikrofalowe echo Wielkiego Wybuchu.
Z jednej strony może to naprawdę oznaczać, że laureat Nagrody Nobla i jego koledzy się mylą, ale z drugiej strony dokładność pomiarów „grawitacyjnych” jest wciąż zauważalnie niższa - to około 7% niż u obu uczestników tego uniwersalnego sporu (mniej niż 2%). Obecne wyniki, podkreśla naukowiec, odpowiadają obu teoriom, ale sytuacja ulegnie zmianie w najbliższej przyszłości.
Według aktualnych szacunków zespołów naukowych LIGO i jego włoskiego „kuzyna” ViRGO, oba obserwatoria grawitacyjne powinny wykrywać około dziesięciu takich zdarzeń rocznie. W związku z tym możemy mieć nadzieję, że w ciągu najbliższych 2-3 lat obserwacje połączeń gwiazd neutronowych pomogą nam jednoznacznie stwierdzić, czy w rozszerzaniu Wszechświata istnieje „nowa fizyka”, podsumowują autorzy artykułu.