Siden starten for 13,8 milliarder år siden har universet fortsat ekspanderet og spredt hundreder af milliarder galakser og stjerner som rosiner i en hurtigt stigende dej. Astronomer har peget teleskoper på bestemte stjerner og andre kosmiske kilder for at måle deres afstand fra Jorden og deres fjernelseshastighed - to parametre, der er nødvendige for at beregne Hubble-konstanten, en måleenhed, der beskriver den hastighed, hvormed universet ekspanderer.
Men til dato gav de mest nøjagtige forsøg på at estimere Hubble-konstanten meget spredte værdier og tillod ikke at tage en endelig konklusion om, hvor hurtigt universet vokser. Denne information skal ifølge forskere kaste lys over universets oprindelse og dets skæbne: vil kosmos ekspandere uendeligt eller vil en dag krympe?
Og så har forskere fra Massachusetts Institute of Technology og Harvard University foreslået en mere nøjagtig og uafhængig måde at måle Hubble-konstanten ved hjælp af tyngdebølger udsendt af relativt sjældne systemer: et binært system med sort hul-neutronstjerne, et energisk par snoet i en spiral af et sort hul og en neutronstjerne. Når disse objekter bevæger sig i dansen, skaber de rystende bølger i rummet og et lysglimt, når den sidste kollision finder sted.
I et papir, der blev offentliggjort den 12. juli i Physical Review Letters, rapporterede forskerne, at lysudbruddet gør det muligt for forskere at estimere systemets hastighed, dvs. hvor hurtigt det bevæger sig væk fra Jorden. De udsendte gravitationsbølger, hvis de fanges på Jorden, skal give en uafhængig og nøjagtig måling af afstanden til systemet. På trods af at binære systemer med sorte huller og neutronstjerner er utroligt sjældne, anslår forskerne, at opdagelsen af selv et par af dem vil gøre det mest nøjagtige skøn over Hubble-konstanten og universets ekspansionshastighed til dato.
"Binære systemer med sorte huller og neutronstjerner er meget komplekse systemer, som vi ikke ved meget lidt om," siger Salvatore Vitale, lektor i fysik ved MIT og hovedforfatter af papiret. "Hvis vi finder en, vil prisen være vores radikale gennembrud i forståelsen af universet."
Vitale er medforfatter af Hsin-Yu Chen fra Harvard.
Salgsfremmende video:
Konkurrerende konstanter
To uafhængige målinger af Hubble-konstanten blev for nylig taget, den ene ved hjælp af NASAs Hubble-rumteleskop og den anden ved hjælp af Den Europæiske Rumorganisations Planck-satellit. Hubbles måling var baseret på observationer af en stjerne kendt som Cepheid-variablen samt observationer af supernovaer. Begge disse objekter betragtes som "standardlys" for forudsigeligheden i lysstyrke, hvorved forskere estimerer afstanden til en stjerne og dens hastighed.
En anden type vurdering er baseret på observationer af udsving i den kosmiske mikrobølgebaggrund - elektromagnetisk stråling, der forblev efter Big Bang, da universet stadig var i sin barndom. Selv om observationerne af begge sonder er ekstremt nøjagtige, varierer deres estimater af Hubble-konstanten meget.
”Og det er her LIGO kommer i spil,” siger Vitale.
LIGO, eller laserinterferometrisk gravitationbølgeobservatorium, ser efter gravitationsbølger - krusninger på stoffet i rumtiden, som er født som et resultat af astrofysiske katastrofer.
"Gravitationsbølger giver en meget enkel og nem måde at måle afstande til deres kilder på," siger Vitale. "Hvad vi fandt med LIGO er et direkte aftryk af afstanden til kilden uden yderligere analyse."
I 2017 fik forskere deres første chance for at estimere Hubble-konstanten fra en gravitationsbølgekilde, da LIGO og dets italienske modstykke Jomfruen opdagede et par kolliderende neutronstjerner for første gang i historien. Denne kollision frigav en enorm mængde gravitationsbølger, som forskere målte for at bestemme afstanden fra Jorden til systemet. Fusionen udsendte også et lysudbrud, som astronomer var i stand til at analysere med jordbaserede teleskoper og rumteleskoper for at bestemme systemets hastighed.
Efter at have opnået begge målinger beregnede forskerne en ny værdi for Hubble-konstanten. Skønnet kom dog med en relativt stor usikkerhed på 14%, meget mere usikker end de værdier, der blev beregnet ved hjælp af Hubble og Planck.
Vitale siger, at meget af usikkerheden stammer fra det faktum, at det er vanskeligt at fortolke afstanden fra et binært system til Jorden ved hjælp af tyngdebølgerne skabt af dette system.
”Vi måler afstanden ved at se på, hvor 'høj' tyngdekraftsbølgen er, dvs. hvor ren vores data om den er," siger Vitale.”Hvis alt er klart, kan du se, at det er højt og bestemme afstanden. Men dette gælder kun delvist for binære systemer."
Faktum er, at disse systemer, der genererer en hvirvlende energiskive, når dansen mellem to neutronstjerner udvikler sig, udsender gravitationsbølger ujævnt. De fleste af tyngdekraftsbølgerne er skudt fra midten af disken, mens meget mindre af dem er skudt ud fra kanterne. Hvis forskere opdager et "højt" tyngdekraftsbølgesignal, kan dette indikere et af to scenarier: De opdagede bølger er født ved kanterne af et system, der er meget tæt på Jorden, eller bølgerne kommer fra centrum af et langt længere system.
”I tilfælde af binære stjernesystemer er det meget vanskeligt at skelne mellem de to situationer,” siger Vitale.
Ny bølge
I 2014, allerede før LIGO opdagede de første tyngdebølger, observerede Vitale og hans kolleger, at et binært system med et sort hul og en neutronstjerne kunne give en mere nøjagtig afstandsmåling end binære neutronstjerner. Holdet undersøgte, hvor nøjagtigt rotationen af et sort hul kan måles, forudsat at disse objekter roterer på deres akse, ligesom Jorden, kun hurtigere.
Forskere har modelleret forskellige sorte hulsystemer, herunder neutronstjernesystemer med sort hul og binære neutronstjernesystemer. Undervejs blev det fundet, at afstanden til det sorte hul - neutronstjernesystemer kan bestemmes mere præcist end til neutronstjerner. Vitale siger, at dette skyldes, at det sorte hul drejer rundt om neutronstjernen, fordi det hjælper med bedre at bestemme, hvor tyngdebølgerne kommer fra i systemet.
”På grund af den mere nøjagtige afstandsmåling troede jeg, at binære sorte hul-neutronstjernesystemer måske var et mere passende referencepunkt til måling af Hubble-konstanten,” siger Vitale. "Siden da er der sket meget med LIGO, og gravitationsbølger er blevet opdaget, så det hele falmede i baggrunden."
Vitale er for nylig vendt tilbage til sin oprindelige observation.
”Indtil nu har folk foretrukket binære neutronstjerner som en måde at måle Hubble-konstanten ved hjælp af tyngdebølger,” siger Vitale.”Vi har vist, at der er en anden type tyngdekraftbølgekilde, der ikke er blevet udnyttet fuldt ud før: sorte huller og neutronstjerner, der danser rundt. LIGO begynder at indsamle data igen i januar 2019 og bliver meget mere følsomme, hvilket betyder, at vi kan se fjernere objekter. Derfor vil LIGO være i stand til at se mindst et system med et sort hul og en neutronstjerne eller bedre alle femogtyve, og dette vil hjælpe med at løse den eksisterende spænding ved måling af Hubble-konstanten, forhåbentlig, i de næste par år.
Ilya Khel