Hvor hurtigt udvider vores univers sig?
Hubble-konstanten er et af de mest kritiske tal i kosmologi, fordi den fortæller os, hvor hurtigt universet udvider sig. Der findes forskellige metoder til at måle denne hastighed. Det er imidlertid vigtigt at bestemme dette tals nøjagtighed for at forstå bedre grundlæggende spørgsmål som universets alder, historie og makeup.
Den nye undersøgelse af to University of Chicago astrofysikere tilbyder en måde at lave denne beregning på: ved at bruge par af kolliderende sorte huller og derved forstå universets udvikling, hvad det er lavet af, og hvor det skal hen.
Ifølge videnskabsmænd kunne den nye teknik kaldet en 'spektral sirene' give information om universets ellers uhåndgribelige 'teenageår'.
Ind imellem støder to sorte huller sammen. Denne begivenhed er så kraftfuld, at den skaber en rum-tid krusning der rejser på tværs af universet. Disse krusninger er også kendt som gravitationsbølger.
US Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) og det italienske observatorium Virgo kan opfange disse krusninger her på Jorden. I løbet af de sidste par år har LIGO og Jomfruen indsamlet aflæsningerne fra næsten 100 par sorte huller kolliderer.
Signalet fra hver kollision indeholder information om hvor massive de sorte huller var. Men signalet har været på tværs af rummet, og i løbet af den tid har universet udvidet sig, hvilket ændrer signalets egenskaber.
UChicago astrofysiker Daniel Holz, en af de to forfattere på papiret, sagde, "For eksempel, hvis du tog et sort hul og satte det tidligere i universet, ville signalet ændre sig, og det ville ligne et større sort hul, end det er."
At bestemme en måde at estimere, hvordan dette signal ændrede sig på, kunne hjælpe forskerne med at beregne universets ekspansionshastighed. Men problemet er kalibrering: Hvordan ved de, hvor meget det ændrede sig fra originalen?
I denne nye undersøgelse foreslår forskere, at de kan bruge den nye viden om hele populationen af sorte huller som et kalibreringsværktøj. For eksempel indikerer nuværende beviser, at de fleste af de opdagede sorte huller har mellem fem og 40 gange vores sols masse.
Første forfatter Jose María Ezquiaga, en NASA Einstein Postdoc og Kavli Institut for Kosmologisk Fysik Fellow, der arbejder med Holz ved UChicago, sagde: "Så vi måler masserne af de nærliggende sorte huller og forstår deres træk, og så kigger vi længere væk og ser, hvor meget de yderligere ser ud til at have forskudt sig. Og dette giver dig et mål for universets udvidelse."
Forskerne er begejstrede, fordi metoden i fremtiden, efterhånden som LIGO's muligheder udvides, kan give et unikt vindue ind i universets "teenageår" - for omkring 10 milliarder år siden - som er svære at studere med andre metoder.
Forfattere bemærkede, ”Den anden fordel ved denne metode er, at huller i vores videnskabelige viden skaber færre usikkerheder. Metoden kan kalibrere sig selv ved at bruge hele befolkning af sorte huller, direkte identificere og rette for fejl. De andre metoder, der bruges til at beregne Hubble-konstanten, er afhængige af vores nuværende forståelse af stjernernes og galaksernes fysik, hvilket involverer en masse kompliceret fysik og astrofysik. Det betyder, at målingerne kan blive forkastet en del, hvis der er noget, vi endnu ikke ved."
"Derimod er denne nye sorte hul-metode næsten udelukkende afhængig af Einsteins teori om tyngdekraften, som er velundersøgt og har stået op imod alle de måder, videnskabsmænd har forsøgt at teste det på indtil nu."
Holz sagde, "Jo flere aflæsninger de har fra alle sorte huller, jo mere nøjagtig vil denne kalibrering være. Vi har helst brug for tusindvis af disse signaler, som vi burde have om nogle år, og endnu flere i løbet af det næste årti eller to. På det tidspunkt ville det være en utrolig kraftfuld metode til at lære om universet."
Journal Reference:
- Jose María Ezquiaga og Daniel E. Holz. Spectral Sirens: Kosmologi fra den fulde massedistribution af kompakte binære filer. Fys. Lett. 129, 061102 – Udgivet 3. august 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061102
