Od swojego powstania 13,8 miliarda lat temu Wszechświat nadal się rozszerzał, rozpraszając setki miliardów galaktyk i gwiazd, takich jak rodzynki w szybko rosnącym cieście. Astronomowie wycelowali teleskopy w określone gwiazdy i inne źródła kosmiczne, aby zmierzyć ich odległość od Ziemi i tempo ich usuwania, dwa parametry potrzebne do obliczenia stałej Hubble'a, jednostki miary opisującej szybkość, z jaką wszechświat rozszerza się.
Jednak jak dotąd najdokładniejsze próby oszacowania stałej Hubble'a dały bardzo rozproszone wartości i nie pozwoliły na wyciągnięcie ostatecznych wniosków o tym, jak szybko wszechświat rośnie. Ta informacja, zdaniem naukowców, powinna rzucić światło na pochodzenie Wszechświata i jego losy: czy kosmos będzie się rozszerzał w nieskończoność, czy też kiedyś się skurczy?
Dlatego naukowcy z Massachusetts Institute of Technology i Harvard University zaproponowali dokładniejszy i niezależny sposób pomiaru stałej Hubble'a za pomocą fal grawitacyjnych emitowanych przez stosunkowo rzadkie układy: układ podwójny czarna dziura-gwiazda neutronowa, para energetyczna skręcona w spiralę przez czarną dziurę i gwiazdę neutronową. Gdy te obiekty poruszają się w tańcu, tworzą drgające fale czasoprzestrzenne i błysk światła, gdy następuje ostateczne zderzenie.
W artykule opublikowanym 12 lipca w Physical Review Letters naukowcy stwierdzili, że błysk światła pozwoliłby naukowcom oszacować prędkość układu, to znaczy, jak szybko oddala się on od Ziemi. Emitowane fale grawitacyjne, jeśli zostaną przechwycone na Ziemi, powinny zapewnić niezależny i dokładny pomiar odległości do układu. Pomimo faktu, że układy podwójne czarnych dziur i gwiazd neutronowych są niezwykle rzadkie, naukowcy szacują, że odkrycie nawet kilku z nich pozwoli najdokładniej oszacować stałą Hubble'a i tempo rozszerzania się wszechświata do tej pory.
„Układy podwójne czarnych dziur i gwiazd neutronowych to bardzo złożone układy, o których wiemy bardzo niewiele” - mówi Salvatore Vitale, profesor fizyki na MIT i główny autor artykułu. „Jeśli go znajdziemy, nagrodą będzie nasz radykalny przełom w zrozumieniu wszechświata”.
Vitale jest współautorem Hsin-Yu Chen z Harvardu.
Film promocyjny:
Konkurencyjne stałe
Niedawno wykonano dwa niezależne pomiary stałej Hubble'a, jeden przy użyciu Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, a drugi przy użyciu satelity Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej. Pomiar Hubble'a był oparty na obserwacjach gwiazdy znanej jako zmienna Cefeida, a także obserwacjach supernowych. Oba te obiekty są uważane za „standardowe świece” ze względu na przewidywalność jasności, na podstawie której naukowcy szacują odległość do gwiazdy i jej prędkość.
Inny rodzaj oceny opiera się na obserwacjach fluktuacji kosmicznego mikrofalowego tła - promieniowania elektromagnetycznego, które pozostało po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat był jeszcze w powijakach. Chociaż obserwacje obu sond są niezwykle dokładne, ich oszacowania stałej Hubble'a znacznie się różnią.
„I tu do gry wkracza LIGO” - mówi Vitale.
LIGO, czyli laserowe obserwatorium interferometrycznych fal grawitacyjnych, poszukuje fal grawitacyjnych - zmarszczek na tkaninie czasoprzestrzeni, która rodzi się w wyniku astrofizycznych kataklizmów.
„Fale grawitacyjne zapewniają bardzo prosty i łatwy sposób pomiaru odległości do ich źródeł” - mówi Vitale. „To, co odkryliśmy w przypadku LIGO, to bezpośredni ślad odległości do źródła, bez dalszej analizy”.
W 2017 roku naukowcy mieli pierwszą szansę oszacowania stałej Hubble'a na podstawie źródła fal grawitacyjnych, kiedy LIGO i jego włoski odpowiednik Virgo odkryli po raz pierwszy w historii parę zderzających się gwiazd neutronowych. Zderzenie to uwolniło ogromną ilość fal grawitacyjnych, które naukowcy zmierzyli, aby określić odległość od Ziemi do układu. Fuzja wyemitowała również rozbłysk światła, który astronomowie byli w stanie przeanalizować za pomocą teleskopów naziemnych i kosmicznych, aby określić prędkość układu.
Po uzyskaniu obu pomiarów naukowcy obliczyli nową wartość stałej Hubble'a. Jednak oszacowanie przyszło ze stosunkowo dużą niepewnością wynoszącą 14%, znacznie bardziej niepewną niż wartości obliczone za pomocą Hubble'a i Plancka.
Vitale mówi, że duża część niepewności wynika z faktu, że zinterpretowanie odległości od układu podwójnego do Ziemi jest trudne przy użyciu fal grawitacyjnych wytwarzanych przez ten układ.
„Mierzymy odległość, patrząc na to, jak głośna jest fala grawitacyjna, czyli jak czyste będą nasze dane” - mówi Vitale. „Jeśli wszystko jest jasne, możesz zobaczyć, że jest głośno i określić odległość. Ale jest to tylko częściowo prawdziwe w przypadku systemów binarnych”.
Faktem jest, że te układy, które generują wirujący dysk energii w trakcie tańca dwóch gwiazd neutronowych, nierównomiernie emitują fale grawitacyjne. Większość fal grawitacyjnych jest wyrzucana ze środka dysku, podczas gdy znacznie mniej jest wyrzucanych z krawędzi. Jeśli naukowcy wykryją „głośny” sygnał fali grawitacyjnej, może to wskazywać na jeden z dwóch scenariuszy: wykryte fale powstają na krawędziach układu znajdującego się bardzo blisko Ziemi lub fale pochodzą ze środka znacznie dalej położonego układu.
„W przypadku podwójnych układów gwiazdowych bardzo trudno jest rozróżnić te dwie sytuacje” - mówi Vitale.
Nowa fala
W 2014 roku, jeszcze zanim LIGO odkrył pierwsze fale grawitacyjne, Vitale i jego koledzy zauważyli, że układ podwójny czarnej dziury i gwiazdy neutronowej może zapewnić dokładniejszy pomiar odległości niż podwójne gwiazdy neutronowe. Zespół zbadał, jak dokładnie można zmierzyć rotację czarnej dziury, pod warunkiem, że obiekty te obracają się wokół własnej osi, podobnie jak Ziemia, tylko szybciej.
Badacze stworzyli model różnych systemów czarnych dziur, w tym układów gwiazd neutronowych czarnych dziur i podwójnych układów gwiazd neutronowych. Po drodze odkryto, że odległość do czarnej dziury - układy gwiazd neutronowych można określić dokładniej niż do gwiazd neutronowych. Vitale twierdzi, że jest to spowodowane wirowaniem czarnej dziury wokół gwiazdy neutronowej, ponieważ pomaga to lepiej określić, skąd pochodzą fale grawitacyjne w układzie.
„Pomyślałem, że ze względu na dokładniejszy pomiar odległości układ podwójny czarnej dziury i gwiazdy neutronowej może być bardziej odpowiednim punktem odniesienia do pomiaru stałej Hubble'a” - mówi Vitale. „Od tamtej pory wiele się wydarzyło z LIGO i odkryto fale grawitacyjne, więc wszystko to zniknęło w tle”.
Vitale niedawno powrócił do swoich pierwotnych obserwacji.
„Do tej pory ludzie preferowali podwójne gwiazdy neutronowe jako sposób pomiaru stałej Hubble'a za pomocą fal grawitacyjnych” - mówi Vitale. „Pokazaliśmy, że istnieje inny rodzaj źródła fal grawitacyjnych, które nie było wcześniej w pełni wykorzystywane: czarne dziury i tańczące wokół gwiazdy neutronowe. LIGO zacznie ponownie zbierać dane w styczniu 2019 roku i będzie znacznie bardziej wrażliwe, co oznacza, że możemy zobaczyć bardziej odległe obiekty. Dlatego LIGO będzie w stanie zobaczyć co najmniej jeden układ czarnej dziury i gwiazdy neutronowej lub lepiej wszystkie dwadzieścia pięć, co pomoże rozwiązać istniejące napięcie w pomiarze stałej Hubble'a, miejmy nadzieję, w ciągu najbliższych kilku lat.
Ilya Khel
