Perustamisestaan lähtien 13,8 miljardia vuotta sitten maailmankaikkeus on jatkanut laajentumistaan ja hajottanut satoja miljardeja galakseja ja tähtiä kuten rusinoita nopeasti nousevassa taikinassa. Tähtitieteilijät ovat osoittaneet teleskooppeja tiettyihin tähtiin ja muihin kosmisiin lähteisiin mittaamaan etäisyyttä maasta ja niiden poistumisnopeutta - kaksi parametria, joita tarvitaan Hubble-vakion, mittayksikön, joka kuvaa nopeutta, jolla maailmankaikkeus laajenee.
Mutta tähän mennessä tarkimmat yritykset arvioida Hubble-vakio antoivat hyvin hajanaisia arvoja eivätkä mahdollistaneet lopullisen johtopäätöksen tekemistä siitä, kuinka nopeasti maailmankaikkeus kasvaa. Tämän tiedon pitäisi tutkijoiden mukaan valaista maailmankaikkeuden alkuperää ja kohtaloa: laajeneekosmos loputtomasti vai kutistuuko jonain päivänä?
Joten Massachusettsin teknillisen instituutin ja Harvardin yliopiston tutkijat ovat ehdottaneet tarkempaa ja itsenäistä tapaa mitata Hubble-vakio käyttämällä suhteellisen harvinaisten järjestelmien lähettämiä gravitaatioaaltoja: mustan aukon neutronitähden binaarijärjestelmä, energinen pari, jota kiertää spiraalissa musta aukko ja neutronitähti. Kun nämä esineet liikkuvat tanssissa, ne synnyttävät aika-ajan väriseviä aaltoja ja valon välähdyksen lopullisen törmäyksen tapahtuessa.
Physical Review Letters -lehdessä 12. heinäkuuta julkaistussa artikkelissa tutkijat sanoivat, että valon välähdys antaisi tutkijoille mahdollisuuden arvioida järjestelmän nopeus eli kuinka nopeasti se siirtyy pois maasta. Emitoitavien gravitaatioaaltojen, jos ne kaapataan maapallolle, tulisi antaa riippumaton ja tarkka etäisyys järjestelmään. Huolimatta siitä, että mustien aukkojen ja neutronitähtien binäärisysteemit ovat uskomattoman harvinaisia, tutkijat arvioivat, että jopa muutaman niistä löytäminen tekee tarkimman arvion Hubble-vakiosta ja maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta tähän mennessä.
"Mustien aukkojen ja neutronitähtien binäärisysteemit ovat hyvin monimutkaisia järjestelmiä, joista tiedämme hyvin vähän", sanoo MIT: n fysiikan apulaisprofessori ja paperin johtava kirjoittaja Salvatore Vitale. "Jos löydämme sellaisen, palkinto on radikaali läpimurto maailmankaikkeuden ymmärtämisessä."
Vitalen on kirjoittanut Hsin-Yu Chen Harvardista.
Mainosvideo:
Kilpailevat vakiot
Hiljattain tehtiin kaksi riippumatonta Hubble-vakion mittausta, yksi NASA: n Hubble-avaruusteleskoopilla ja toinen Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliitilla. Hubble-mittaus perustui Cepheid-muuttujana tunnetun tähden havaintoihin sekä supernoovien havaintoihin. Molempia esineitä pidetään "vakiokynttilöinä" kirkkauden ennustettavuuden suhteen, jonka perusteella tutkijat arvioivat etäisyyden tähtiin ja sen nopeuden.
Toinen arviointityyppi perustuu kosmisen mikroaaltotaustan vaihteluiden havaintoihin - sähkömagneettinen säteily, joka pysyi Ison räjähdyksen jälkeen, kun maailmankaikkeus oli vielä lapsenkengissään. Vaikka molempien koettimien havainnot ovat erittäin tarkkoja, niiden arviot Hubble-vakiosta eroavat suuresti.
"Ja tässä LIGO tulee esiin", Vitale sanoo.
LIGO, tai laserinterferometrinen gravitaatioaaltojen observatorio, etsii gravitaatioaaltoja - aaltoiluja avaruusajan kankaalla, joka syntyy astrofyysisten kataklysmien seurauksena.
"Gravitaatioaallot tarjoavat erittäin yksinkertaisen ja helpon tavan mitata etäisyyksiä lähteisiinsä", Vitale sanoo. "Se, mitä löysimme LIGOn avulla, on suora tulos etäisyydestä lähteeseen ilman mitään lisäanalyyseja."
Vuonna 2017 tutkijat saivat ensimmäisen mahdollisuuden arvioida Hubble-vakio gravitaatioaaltolähteestä, kun LIGO ja sen italialainen kollega Virgo löysivät parin törmäävän neutronitähden ensimmäistä kertaa historiassa. Tämä törmäys vapautti valtavan määrän gravitaatioaaltoja, jotka tutkijat mittaivat etäisyyden määrittämiseksi maasta järjestelmään. Yhdistyminen antoi myös valopurskeen, jonka tähtitieteilijät pystyivät analysoimaan maanpäällisillä ja avaruusteleskoopeilla järjestelmän nopeuden määrittämiseksi.
Saatuaan molemmat mittaukset tutkijat laskivat uuden arvon Hubble-vakiolle. Arviolla oli kuitenkin suhteellisen suuri 14%: n epävarmuus, paljon epävarmempi kuin Hubble ja Planckilla lasketut arvot.
Vitale sanoo, että suuri osa epävarmuudesta johtuu siitä, että etäisyyden tulkinta binäärisysteemistä maahan on vaikeaa käyttämällä järjestelmän luomia gravitaatioaaltoja.
"Mittaamme etäisyyttä katsomalla, kuinka" kovaa "painovoima on, toisin sanoen, kuinka puhtaita tietomme siitä ovat", Vitale sanoo.”Jos kaikki on selvää, voit nähdä sen olevan kovaa ja määrittää etäisyyden. Mutta tämä pätee vain osittain binaarijärjestelmiin."
Tosiasia on, että nämä järjestelmät, jotka tuottavat pyörteisen energialevyn kahden neutronitähden tanssin kehittyessä, lähettävät gravitaatioaaltoja epätasaisesti. Suurin osa gravitaatioaalloista ammutaan levyn keskeltä, kun taas huomattavasti vähemmän niitä ammutaan reunasta. Jos tutkijat havaitsevat "kovan" gravitaatioaaltosignaalin, tämä voi tarkoittaa yhtä kahdesta skenaariosta: havaitut aallot syntyvät hyvin lähellä maapalloa olevan järjestelmän reunoilla tai aallot tulevat paljon kauemmas olevan järjestelmän keskustasta.
"Binaaristen tähtijärjestelmien tapauksessa on hyvin vaikeaa erottaa nämä kaksi tilannetta", Vitale sanoo.
Uusi aalto
Vuonna 2014, ennen kuin LIGO löysi ensimmäiset gravitaatioaallot, Vitale ja hänen kollegansa havaitsivat, että mustan aukon ja neutronitähden binäärinen järjestelmä voisi tarjota tarkemman etäisyyden mittauksen kuin binaariset neutronitähdet. Ryhmä tutki, kuinka tarkasti mustan aukon kiertyminen voidaan mitata, jos nämä esineet pyörivät akselillaan, kuten Maan, vain nopeammin.
Tutkijat ovat mallinneet erilaisia mustan aukon järjestelmiä, mukaan lukien mustan aukon neutronitähtijärjestelmät ja binaariset neutronitähtijärjestelmät. Matkan varrella havaittiin, että etäisyys mustaan aukkoon - neutronitähtijärjestelmät voidaan määrittää tarkemmin kuin neutronitähtiin. Vitale sanoo, että tämä johtuu mustan aukon pyörimisestä neutronitähden ympärillä, koska se auttaa määrittämään paremmin, mistä gravitaatioaallot tulevat järjestelmästä.
"Tarkemman etäisyysmittauksen takia ajattelin, että binääriset mustan aukon ja neutronin tähtijärjestelmät saattavat olla sopivampi vertailupiste Hubble-vakion mittaamiseksi", Vitale sanoo. "Siitä lähtien LIGOn kanssa on tapahtunut paljon ja gravitaatioaaltoja on löydetty, joten kaikki haalistui taustalle."
Vitale on äskettäin palannut alkuperäiseen havaintoonsa.
"Tähän asti ihmiset ovat pitäneet parempana binäärisiä neutronitähtiä keinona mitata Hubble-vakio gravitaatioaaltoja käyttäen", Vitale sanoo. "Olemme osoittaneet, että on olemassa toinenkin gravitaatioaaltolähde, jota ei ole vielä täysin hyödynnetty aikaisemmin: mustat aukot ja neutronitähdet tanssivat ympäriinsä. LIGO aloittaa tietojen keräämisen uudelleen tammikuussa 2019 ja on paljon herkempi, mikä tarkoittaa, että voimme nähdä kauempana olevia esineitä. Siksi LIGO pystyy näkemään ainakin yhden mustan aukon ja neutronitähden järjestelmän tai parempi kaikki 25, ja tämä auttaa ratkaisemaan Hubble-vakion mittaamisen nykyisen jännityksen toivottavasti lähivuosina.
Ilya Khel