Voivatko painovoima-aallot paljastaa kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee?

13,8 miljardia alusta lähtienvuosia sitten maailmankaikkeus kasvaa edelleen, hajottaen satoja miljardeja galakseja ja tähtiä kuten rusinoita nopeasti nousevaan taikinaan. Tähtitieteilijät osoittivat kaukoputket joissain tähdellä ja muissa kosmisissa lähteissä mittaamaan etäisyyttään maasta ja niiden poistumisnopeutta - kaksi parametria, joita tarvitaan Hubble-vakion laskemiseen, mittayksikkö, joka kuvaa maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta.

"Mustien reikien ja neutronitähteiden binaarijärjestelmät -erittäin monimutkaisia ​​järjestelmiä, joista tiedämme hyvin vähän ”, sanoo Salvatore Vitale, MIT: n fysiikan apulaisprofessori ja artikkelin pääkirjailija. "Jos löydämme jopa yhden, palkinto on radikaali läpimurtomme maailmankaikkeuden ymmärtämiseen."

Vitalen yhteistyönä on Hsin Yu Chen Harvardista.

Kilpailevat vakiot

Kaksi riippumatonta mittausta on tehty äskettäin.Hubble-vakio, yksi käyttäen NASA Hubble-avaruusteleskooppia ja toinen käyttämällä Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliittia. Hubble-mittaus perustui kepeidimuuttujaksi kutsutun tähden havaintoihin sekä supernoovien havaintoihin. Näitä molempia esineitä pidetään ”standardi kynttilöinä” muuttuvan kirkkauden ennustettavuuden suhteen, jonka mukaan tutkijat arvioivat etäisyyden tähtiin ja sen nopeuden.

Toinen arviointityyppi perustuu havaintoihin.kosmisen mikroaaltotaustan vaihtelut - sähkömagneettinen säteily, joka pysyi Ison räjähdyksen jälkeen, kun maailmankaikkeus oli vielä lapsenkengissä. Vaikka molempien koettimien havainnot ovat erittäin tarkkoja, niiden arviot Hubble-vakiosta eroavat suuresti.

"Ja täällä LIGO tulee peliin", Vitale sanoo.

LIGO, tai laser-interferometrinen gravitaatioaalto-observatorio, etsii painovoima-aaltoja - väreilyä avaruus-ajan kankaalle, joka syntyy astrofyysisten katastrofien seurauksena.

”Painovoima-aallot tarjoavat hyvin yksinkertaisenja helppo tapa mitata etäisyydet lähteistään ”, Vitale sanoo. "Se mitä löysimme LIGO: lla, on suora etäisyys lähteestä ilman lisäanalyysejä."

Vuonna 2017 tutkijat saivat ensimmäisen mahdollisuutensaArvioi Hubble-vakio painovoima-lähteen lähteestä, kun LIGO ja sen italialainen vastapuoli Neitsyt löysivät parin törmättäviä neutronitähtiä ensimmäistä kertaa historiassa. Tämä törmäys vapautti valtavan määrän painovoima-aaltoja, jotka tutkijat mittasivat määrittääkseen etäisyyden Maasta järjestelmään. Sulautuma antoi myös valon välähdyksen, jonka tähtitieteilijät pystyivät analysoimaan maa- ja avaruusteleskoopeilla järjestelmän nopeuden määrittämiseksi.

Saatuaan molemmat mittaukset, tutkijat laskivat uudenHubble-vakioarvo. Arviossa oli kuitenkin suhteellisen suuri epävarmuus, 14%, paljon epävarmempaa kuin Hubblen ja Planckin avulla lasketut arvot.

Vitale sanoo, että suurin osaepävarmuus johtuu tosiasiasta, että on melko vaikeaa tulkita binaarijärjestelmän ja maan välistä etäisyyttä käyttämällä tämän järjestelmän luomia gravitaatioaaltoja.

”Mittaa etäisyys katsomalla kuinka paljonPainovoima-aalto on ”kova”, toisin sanoen kuinka puhtaat sitä koskevat tiedot ovat ”, Vitale sanoo. ”Jos kaikki on selvää, huomaat, että se on äänekäs, ja määritä etäisyys. Mutta tämä pätee vain osittain binaarijärjestelmiin. "

Tosiasia on, että nämä järjestelmät tuottavatpyörivä energialevy kahden neutronitähden tanssin kehittyessä gravitaatioaallot säteilevät epätasaisesti. Useimmat painovoima-aallot ammuvat levyn keskustasta, kun taas reunoista tulee paljon pienempi osuus. Jos tutkijat havaitsevat ”kovan” signaalin painovoima-aallolta, tämä saattaa viitata kahteen skenaarioon: havaitut aallot syntyy järjestelmän lähellä, joka on hyvin lähellä maata, tai aallot tulevat paljon kauempana olevan järjestelmän keskustasta.

"Binaaristen tähtijärjestelmien tapauksessa on hyvin vaikea erottaa nämä kaksi tilannetta", Vitale sanoo.

Uusi aalto

Vuonna 2014, jopa ennen kuin LIGO löysiEnsimmäiset gravitaatioaallot Vitale ja hänen kollegansa huomauttivat, että mustan aukon ja neutronitähden binaarijärjestelmä voi antaa etäisyyden tarkemman mittauksen verrattuna binaarisiin neutronitähtiin. Ryhmä tutki, kuinka tarkasti on mahdollista mitata mustan aukon kierto, edellyttäen että nämä esineet pyörivät akselinsa ympäri, kuten Maa, vain nopeammin.

Tutkijat ovat mallinnaneet erilaisia ​​järjestelmiämustia reikiä, mukaan lukien mustia reikäjärjestelmiä - neutronitähti ja neutronitähteiden binaarijärjestelmät. Prosessissa havaittiin, että etäisyys mustan aukon - neutronitähtijärjestelmiin voidaan määrittää tarkemmin kuin neutronitähtiin. Vitale sanoo, että tämä johtuu mustan aukon kiertymisestä neutronitähteen ympärillä, koska se auttaa paremmin selvittämään, mistä gravitaatioaallot tulevat järjestelmästä.

”Tarkemman etäisyysmittauksen takia minäAjattelin, että mustan aukon kaltaiset binaarijärjestelmät - neutronitähti - voisivat olla parempi referenssi Hubble-vakion mittaamiseen ”, Vitale sanoo. "Sittemmin LIGOlle on tapahtunut paljon ja painovoima-aaltoja on löydetty, joten kaikki tämä on hiipunut taustalle."

Vitale palasi äskettäin alustavaan havaintoonsa.

”Tähän asti ihmiset ovat mieluummin kaksinkertaista neutroniatähdet tapaa mitata Hubble-vakio gravitaatioaaltojen avulla ”, Vitale sanoo. ”Osoimme, että on olemassa toinen tyyppi gravitaatioaallolähdettä, jota ei ole käytetty kokonaan aikaisemmin: mustat aukot ja neutronitähdet vääntyneet tanssissa. LIGO alkaa kerätä tietoja uudelleen tammikuussa 2019 ja tulee paljon herkemmäksi, mikä tarkoittaa, että näemme kauempana olevia esineitä. Siksi LIGO pystyy näkemään ainakin yhden järjestelmän mustasta aukosta ja neutronitähdistä, ja kaikki 25 ovat parempia, ja tämä auttaa ratkaisemaan olemassa olevan jännitteen Hubble-vakion mittaamisessa, toivottavasti, lähivuosina. "