Wie schnell dehnt sich unser Universum aus?
Die Hubble-Konstante ist eine der kritischsten Zahlen in der Kosmologie, weil sie uns sagt, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Es gibt verschiedene Methoden, um diese Rate zu messen. Die Bestimmung der Genauigkeit dieser Zahl ist jedoch unerlässlich, um grundlegende Fragen wie Alter, Geschichte und Zusammensetzung des Universums besser zu verstehen.
Die neue Studie von Two University of Chicago Astrophysiker bietet eine Möglichkeit, diese Berechnung durchzuführen: die Verwendung von Paaren kollidierender Schwarzer Löcher und dadurch Verständnis Universumsentwicklung, woraus es besteht und wohin es geht.
Laut Wissenschaftlern könnte die neue Technik, die als „Spektralsirene“ bezeichnet wird, Informationen über die ansonsten schwer fassbaren „Teenagerjahre“ des Universums liefern.
Gelegentlich kollidieren zwei Schwarze Löcher. Dieses Ereignis ist so mächtig, dass es eine erstellt Raumzeitwelligkeit der durchs Universum reist. Diese Wellen werden auch als Gravitationswellen bezeichnet.
Das US Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) und das italienische Observatorium Virgo können diese Wellen hier auf der Erde auffangen. In den letzten Jahren haben LIGO und Virgo die Messwerte von fast 100 Paaren gesammelt Schwarze Löcher kollidieren.
Das Signal jeder Kollision enthält Informationen über wie massiv die schwarzen Löcher waren. Aber das Signal ist durch den Weltraum gereist, und während dieser Zeit hat sich das Universum ausgedehnt, was die Eigenschaften des Signals verändert.
Der UChicago-Astrophysiker Daniel Holz, einer der beiden Autoren des Papiers, sagte: „Wenn Sie zum Beispiel ein Schwarzes Loch nehmen und es früher im Universum platzieren würden, würde sich das Signal ändern und es würde wie ein größeres Schwarzes Loch aussehen, als es ist.“
Die Bestimmung einer Möglichkeit, abzuschätzen, wie sich dieses Signal verändert hat, könnte Wissenschaftlern bei der Berechnung helfen Expansionsrate des Universums. Das Problem ist jedoch die Kalibrierung: Woher wissen sie, wie stark sie sich gegenüber dem Original verändert hat?
In dieser neuen Studie schlagen Wissenschaftler vor, dass sie das neue Wissen über die gesamte Population von Schwarzen Löchern als Kalibrierungswerkzeug verwenden können. Aktuelle Beweise deuten beispielsweise darauf hin, dass die meisten der entdeckten Schwarzen Löcher die fünf- bis 40-fache Masse unserer Sonne haben.
Erstautor Jose María Ezquiaga, NASA Einstein Postdoctoral Fellow und Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow, der mit Holz in UChicago zusammenarbeitet, sagte: „Also messen wir die Massen der nahen Schwarzen Löcher und verstehen ihre Eigenschaften, und dann schauen wir weiter weg und sehen, wie stark sich diese weiter entfernten Löcher verschoben haben. Und das gibt Ihnen ein Maß für die Ausdehnung des Universums.“
Die Wissenschaftler sind gespannt, weil die Methode in Zukunft, wenn die Möglichkeiten von LIGO erweitert werden, ein einzigartiges Fenster in die „Jugendjahre“ des Universums – vor etwa 10 Milliarden Jahren – bieten könnte, die mit anderen Methoden schwer zu untersuchen sind.
Autoren bemerkt, „Der andere Vorteil dieser Methode ist, dass Lücken in unserem wissenschaftlichen Wissen weniger Unsicherheiten schaffen. Das Verfahren kann sich selbst kalibrieren, indem es das Ganze verwendet Bevölkerung von Schwarzen Löchern, Fehler direkt identifizieren und korrigieren. Die anderen Methoden zur Berechnung der Hubble-Konstante beruhen auf unserem derzeitigen Verständnis der Physik von Sternen und Galaxien, das eine Menge komplizierter Physik und Astrophysik beinhaltet. Das bedeutet, dass die Messungen ziemlich durcheinander geraten können, wenn wir etwas noch nicht wissen.“
„Im Gegensatz dazu stützt sich diese neue Schwarze-Loch-Methode fast ausschließlich auf Einsteins Gravitationstheorie, das gut untersucht ist und sich gegen alle bisherigen Testversuche von Wissenschaftlern gewehrt hat.“
Holz sagte, „Je mehr Messwerte sie von allen Schwarzen Löchern haben, desto genauer wird diese Kalibrierung. Wir brauchen vorzugsweise Tausende dieser Signale, die wir in ein paar Jahren haben sollten, und noch mehr in den nächsten ein oder zwei Jahrzehnten. An diesem Punkt wäre es eine unglaublich mächtige Methode, um etwas über das Universum zu lernen.“
Journal Referenz:
- Jose María Ezquiaga und Daniel E. Holz. Spektrale Sirenen: Kosmologie aus der vollständigen Massenverteilung kompakter Binärdateien. Physik. Rev. Lett. 129, 061102 – Veröffentlicht am 3. August 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061102
