هل يمكن لموجات الجاذبية أن تكشف عن مدى سرعة توسع الكون؟

13.8 مليار منذ إنشائهامنذ سنوات ، استمر الكون في التوسع ، مبعثرًا مئات المليارات من المجرات والنجوم مثل الزبيب في العجين سريع النمو. قام علماء الفلك بتوجيه التلسكوبات في بعض النجوم وغيرها من المصادر الكونية لقياس بعدهم عن الأرض وسرعة إزالتها - وهما معلمتان ضروريتان لحساب ثابت هابل ، وحدة القياس التي تصف سرعة تمدد الكون.

"النظم الثنائية للثقوب السوداء ونجوم النيوترون -يقول سالفاتور فيتالي ، أستاذ مشارك في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومؤلف رئيسي للمقال: أنظمة معقدة للغاية لا نعرف عنها سوى القليل جدًا. "إذا وجدنا واحدة على الأقل ، فستكون الجائزة بمثابة تقدمنا ​​الجذري في فهم الكون."

شارك في تأليف فيتالي هسين يو تشن من جامعة هارفارد.

الثوابت المتنافسة

تم إجراء قياسين مستقلين مؤخرًا.ثابت هابل ، واحد يستخدم تلسكوب ناسا الفضائي ناسا ، والآخر يستخدم القمر الصناعي بلانك التابع لوكالة الفضاء الأوروبية. استند قياس هابل إلى ملاحظات نجم معروف باسم المتغير السفيدي ، وكذلك على ملاحظات المستعرات الأعظمية. يعتبر كلا هذين الكائنين "شموع قياسية" لإمكانية التنبؤ في تغيير السطوع ، وفقًا لتقدير العلماء المسافة إلى النجم وسرعته.

يعتمد نوع آخر من التقييم على الملاحظات.تقلبات في الخلفية الميكروويف الكونية - الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي بقي بعد الانفجار الكبير ، عندما كان الكون لا يزال في مهده. على الرغم من أن ملاحظات كلا التحقيقين دقيقة للغاية ، إلا أن تقديراتهم لهابل ثابت تتباعد إلى حد كبير.

يقول فيتالي: "وهنا يأتي دور ليغو".

تبحث LIGO ، أو مرصد موجة الجاذبية التداخل بالليزر ، عن موجات الجاذبية - تموجات على نسيج الزمكان ، الذي يولد نتيجة للكوارث الفيزيائية الفلكية.

"موجات الجاذبية توفر بسيطة للغايةيقول فيتالي: "إنها طريقة سهلة لقياس المسافات إلى مصادرها". "ما وجدناه مع LIGO هو بصمة مباشرة للمسافة إلى المصدر ، دون أي تحليل إضافي."

في عام 2017 ، حصل العلماء على فرصتهم الأولىتقدير ثابت هابل من مصدر موجة الجاذبية عندما اكتشفت LIGO ونظيرتها الإيطالية Virgo زوجًا من النجوم النيوترونية المتصادمة لأول مرة في التاريخ. وأدى هذا التصادم إلى إطلاق كمية هائلة من موجات الجاذبية ، والتي قاسها العلماء لتحديد المسافة من الأرض إلى النظام. وأصدر الاندماج أيضًا وميضًا من الضوء ، تمكن الفلكيون من تحليله باستخدام التلسكوبات الأرضية والفضائية لتحديد سرعة النظام.

بعد تلقي كلا القياسات ، قام العلماء بحساب جديدهابل قيمة ثابتة. ومع ذلك ، جاء التقدير مع حالة عدم يقين كبيرة نسبتها 14 ٪ ، وأكثر من ذلك بكثير غير مؤكد من القيم المحسوبة باستخدام هابل وبلانك.

Vitale يقول أن أكثر من غيرهاينبع عدم اليقين من حقيقة أنه من الصعب للغاية تفسير المسافة من نظام ثنائي إلى الأرض باستخدام موجات الجاذبية التي أنشأها هذا النظام.

"نقيس المسافة من خلال النظر في مقدارهايقول فيتالي إن موجة الجاذبية ستكون "عالية" ، أي مدى نظافة بياناتنا عليها. "إذا كان كل شيء واضحًا ، فسترى أنه مرتفع ، وحدد المسافة. ولكن هذا صحيح جزئيا فقط للأنظمة الثنائية. "

والحقيقة هي أن هذه النظم توليدقرص دوامي من الطاقة مع تطور رقصة اثنين من النجوم النيوترونية ، تنبعث الأمواج الجاذبية بشكل غير متساو. تنطلق معظم موجات الجاذبية من وسط القرص ، بينما يخرج جزء أصغر بكثير من الحواف. إذا اكتشف العلماء إشارة "عالية" من موجة الجاذبية ، فقد يشير هذا إلى أحد السيناريوهين: يتم إنشاء الموجات المكتشفة عند حواف نظام قريب جدًا من الأرض ، أو تنبعث الأمواج من مركز نظام بعيد للغاية.

يقول فيتالي: "في حالة أنظمة النجوم الثنائية ، من الصعب للغاية التمييز بين هاتين الحالتين".

موجة جديدة

في عام 2014 ، حتى قبل اكتشاف LIGOأول موجات جاذبية ، لاحظ فيتالي وزملاؤه أن وجود نظام ثنائي للثقب الأسود ونجم نيوتروني يمكن أن يعطي قياسًا أكثر دقة للمسافة مقارنةً بنجوم النيوترون الثنائية. درس الفريق مدى دقة قياس دوران الثقب الأسود ، شريطة أن تدور هذه الأشياء حول محورها ، مثل الأرض ، بشكل أسرع.

وقد صاغ الباحثون أنظمة مختلفة معالثقوب السوداء ، بما في ذلك أنظمة الثقب الأسود - نجم نيوتروني وأنظمة ثنائية لنجوم نيوترونية. في هذه العملية ، وجد أن المسافة إلى الثقب الأسود - أنظمة نجمة النيوترون يمكن تحديدها بدقة أكبر من النجوم النيوترونية. يقول Vitale أن هذا يرجع إلى دوران الثقب الأسود حول نجم النيوترون ، لأنه يساعد على تحديد أفضل من أين تأتي موجات الجاذبية في النظام.

"بسبب قياس المسافة الأكثر دقة ، أنااعتقدت أن الأنظمة الثنائية مثل الثقب الأسود - نجم نيوتروني - قد تكون مرجعًا أفضل لقياس ثابت هابل. "ومنذ ذلك الحين ، حدث الكثير بالنسبة لـ LIGO وتم اكتشاف موجات الجاذبية ، لذا فقد تلاشى كل هذا في الخلفية."

عاد Vitale مؤخرا إلى ملاحظته الأولية.

"حتى الآن ، كان الناس يفضلون النيوترون المزدوجيقول فيتالي "النجوم كوسيلة لقياس ثابت هابل باستخدام موجات الجاذبية". "لقد أظهرنا أن هناك نوعًا آخر من مصادر موجات الجاذبية التي لم يتم استخدامها بالكامل من قبل: الثقوب السوداء ونجوم النيوترونات ملتوية في رقصة. ستبدأ LIGO في جمع البيانات مرة أخرى في يناير 2019 وستصبح أكثر حساسية ، مما يعني أنه يمكننا رؤية المزيد من الكائنات البعيدة. لذلك ، ستكون LIGO قادرة على رؤية نظام واحد على الأقل من ثقب أسود ونجم نيوتروني ، ويفضل أن يكون خمسة وعشرون ، وهذا سوف يساعد على حل التوتر القائم في قياس ثابت هابل ، كما آمل ، في السنوات القليلة المقبلة. "