Przedstawienie przez artystę dwóch gwiazd neutronowych łączących się i uwalniających fale grawitacyjne.
(Zdjęcie: © R. Hurt / Caltech-JPL)
Analizować faluje w przestrzeni i czasie stworzone przez pary martwych gwiazd może wkrótce rozwiązać kosmiczną tajemnicę otaczającą szybkość ekspansji wszechświata - jeśli naukowcy mają szczęście.
Taki jest werdykt nowego badania, które może także rzucić światło na ostateczny los wszechświata, powiedzieli naukowcy, którzy nad nim pracowali.
Kosmos nadal się rozwija od momentu narodzin około 13,8 miliarda lat temu. Przez pomiar aktualnego tempa ekspansji wszechświata, znanego jako Stała Hubble'a, naukowcy mogą wywnioskować wiek kosmosu i szczegóły jego obecnego stanu. Mogą nawet użyć tego numeru, aby spróbować się uczyć los wszechświata, np. czy będzie się rozszerzać na zawsze, zapadać się na kawałki, czy całkowicie rozerwać.
Naukowcy stosują dwie podstawowe metody pomiaru stałej Hubble'a. Jeden polega na monitorowaniu pobliskich obiektów, których właściwości naukowcy dobrze rozumieją, takich jak eksplozje gwiazd znane jako supernowe i pulsujące gwiazdy znane jako Zmienne cefeidowe, aby oszacować ich odległości, a następnie wydedukować tempo ekspansji wszechświata. Drugi skupia się na kosmicznym tle mikrofalowym, pozostałym promieniowaniu z Wielkiego Wybuchu i bada, jak zmienił się on w czasie, aby obliczyć, jak szybko kosmos się rozszerzył.
Jednak ta para technik uległa dwa różne wyniki dla wartości stałej Hubble'a. Dane z kosmicznego mikrofalowego tła sugerują, że wszechświat rozszerza się obecnie w tempie około 41,6 mil na sekundę na 3,26 miliona lat świetlnych, podczas gdy dane z supernowych i cefeid w pobliskim wszechświecie sugerują tempo około 45,3 mil ( 73 km) na sekundę na 3,26 miliona lat świetlnych.
Ta rozbieżność sugeruje, że standardowy model kosmologiczny - rozumienie przez naukowców struktury i historii wszechświata - może być błędne. Rozwiązanie tej debaty, znanej jako Stały konflikt Hubble'a, może rzucić światło na ewolucję i ostateczny los kosmosu.
W nowym badaniu fizycy sugerują, że przyszłe dane z tętnień w przestrzeni i czasie zwane falami grawitacyjnymi mogą pomóc przełamać impas. „Stały konflikt Hubble'a - największa wskazówka, że nasz model wszechświata jest niekompletny - można rozwiązać za pięć do 10 lat” - powiedział Space.com autor prowadzący badania Stephen Feeney, astrofizyk z Flatiron Institute w Nowym Jorku.
Według Einsteina teoria ogólnej teorii względnościgrawitacja wynika z tego, jak masa zniekształca czasoprzestrzeń. Kiedy jakikolwiek obiekt z masą porusza się, powinien wytwarzać fale grawitacyjne, które przesuwają się z prędkością światła, rozciągając się i ściskając czasoprzestrzeń po drodze.
Fale grawitacyjne są wyjątkowo słabe i dopiero w 2016 r. Naukowcy wykryli pierwsze bezpośrednie ich dowody. W 2017 r. Naukowcy wykryli również fale grawitacyjne od zderzających się gwiazd neutronowych, pozostałości gwiazd, które zginęły w katastrofalnych eksplozjach znanych jako supernowe. Jeśli szczątki gwiazdy nie są wystarczająco masywne, aby zapaść się, by stać się czarnymi dziurami, zamiast tego staną się gwiazdą neutronową, tak nazwaną, ponieważ przyciąganie grawitacyjne jest wystarczająco silne, aby zmiażdżyć protony wraz z elektronami, tworząc neutrony.
W przeciwieństwie do czarnych dziur gwiazdy neutronowe emitują światło widzialne, podobnie jak ich kolizje. Fale grawitacyjne powstałe w wyniku tych połączeń, nazwane „standardowymi syrenami”, pomogą naukowcom ustalić ich odległość od Ziemi, a światło z tych kolizji pomoże określić prędkość, z jaką poruszają się względem Ziemi. Badacze mogą następnie wykorzystać oba te zestawy danych do obliczenia stałej Hubble'a. Według Feeneya i jego współpracowników analiza zderzeń między około 50 parami gwiazd neutronowych w ciągu najbliższych pięciu do dziesięciu lat może dostarczyć wystarczających danych, aby określić najlepszy jak dotąd pomiar stałej Hubble'a.
Oszacowanie to zależy jednak od częstotliwości zderzeń gwiazdy z neutronem. „Stawka jest bardzo niepewna połączenia gwiazd neutronowych - W końcu widzieliśmy tylko jedną do tej pory - powiedział Feeney. - Gdybyśmy mieli szczęście, że to zobaczyliśmy, a fuzje są w rzeczywistości znacznie rzadsze, niż nam się wydaje, obserwujemy liczbę połączeń potrzebnych do wyjaśnienia stałej Hubble'a konflikt może trwać dłużej niż stwierdziliśmy w naszej pracy. ”
Fale grawitacyjne mogą w końcu wspierać jedną wartość stałej Hubble'a nad drugą, ale mogą również określać nową trzecią wartość stałej Hubble'a, powiedział Feeney. Dodał, że jeśli tak się stanie, może to prowadzić do nowych spostrzeżeń dotyczących zachowania supernowych, cefeid lub gwiazd neutronowych.
Naukowcy szczegółowo ich ustalenia online 14 lutego w czasopiśmie Physical Review Letters.
