Hoe snel dijt ons heelal uit?
De constante van Hubble is een van de meest kritische getallen in de kosmologie, omdat deze ons vertelt hoe snel het universum uitdijt. Er bestaan verschillende methoden om dit percentage te meten. Het bepalen van de nauwkeurigheid van dit getal is echter essentieel om fundamentele vragen als de leeftijd, geschiedenis en samenstelling van het universum beter te kunnen begrijpen.
De nieuwe studie door twee University of Chicago astrofysici bieden een manier om deze berekening te maken: door paren botsende zwarte gaten te gebruiken en daardoor inzicht te krijgen evolutie van het universum, waar het van gemaakt is en waar het naartoe gaat.
Volgens wetenschappers zou de nieuwe techniek, die een 'spectrale sirene' wordt genoemd, informatie kunnen bieden over de anders ongrijpbare 'tienerjaren' van het universum.
Af en toe botsen twee zwarte gaten. Deze gebeurtenis is zo krachtig dat het een ruimte-tijd rimpeling die door het heelal reist. Deze rimpelingen worden ook wel zwaartekrachtgolven genoemd.
Het Amerikaanse Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en het Italiaanse observatorium Virgo kunnen die rimpelingen hier op aarde oppikken. De afgelopen jaren hebben LIGO en Virgo de metingen van bijna 100 paren verzameld zwarte gaten botsen.
Het signaal van elke botsing bevat informatie over hoe groot de zwarte gaten waren. Maar het signaal heeft door de ruimte gereisd en gedurende die tijd is het universum uitdijd, wat de eigenschappen van het signaal verandert.
UChicago-astrofysicus Daniel Holz, een van de twee auteurs op het papier, zei: “Als je bijvoorbeeld een zwart gat zou nemen en het eerder in het universum zou plaatsen, zou het signaal veranderen en zou het op een groter zwart gat lijken dan het is.”
Het bepalen van een manier om te schatten hoe dat signaal veranderde, zou wetenschappers kunnen helpen de uitdijingssnelheid van het heelal. Het probleem is echter de kalibratie: hoe weten ze hoeveel deze is veranderd ten opzichte van het origineel?
In deze nieuwe studie suggereren wetenschappers dat ze de nieuwe kennis over de hele populatie zwarte gaten kunnen gebruiken als kalibratie-instrument. Uit huidig bewijsmateriaal blijkt bijvoorbeeld dat de meeste van de gedetecteerde zwarte gaten tussen de vijf en veertig keer de massa van onze zon hebben.
Eerste auteur Jose María Ezquiaga, een NASA Einstein Postdoctoral Fellow en Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow in samenwerking met Holz bij UChicago, zei: “Dus meten we de massa van de nabijgelegen zwarte gaten en begrijpen we hun kenmerken, en dan kijken we verder weg en zien hoeveel die andere gaten lijken te zijn verschoven. En dit geeft je een maatstaf voor de uitdijing van het heelal.”
De wetenschappers zijn enthousiast omdat de methode in de toekomst, naarmate de mogelijkheden van LIGO zich uitbreiden, een uniek inzicht kan bieden in de “tienerjaren” van het universum – ongeveer 10 miljard jaar geleden – die moeilijk te bestuderen zijn met andere methoden.
Auteurs merkten op, “Het andere voordeel van deze methode is dat gaten in onze wetenschappelijke kennis minder onzekerheden creëren. De methode kan zichzelf kalibreren door het geheel te gebruiken populatie zwarte gaten, waarmee fouten direct worden geïdentificeerd en gecorrigeerd. De andere methoden die worden gebruikt om de Hubble-constante te berekenen, zijn afhankelijk van ons huidige begrip van de fysica van sterren en sterrenstelsels, wat veel ingewikkelde fysica en astrofysica met zich meebrengt. Dit betekent dat de metingen behoorlijk kunnen afwijken als er iets is dat we nog niet weten.”
“Deze nieuwe zwarte gatenmethode is daarentegen bijna puur gebaseerd op Einsteins zwaartekrachttheorie, dat goed bestudeerd is en zich verzet tegen alle manieren waarop wetenschappers het tot nu toe hebben geprobeerd te testen.”
Holz zei, “Hoe meer metingen ze hebben van alle zwarte gaten, hoe nauwkeuriger deze kalibratie zal zijn. We hebben bij voorkeur duizenden van deze signalen nodig, die we over een paar jaar zouden moeten hebben, en zelfs nog meer in de komende tien jaar of twee. Op dat moment zou het een ongelooflijk krachtige methode zijn om meer over het universum te leren.”
Journal Reference:
- Jose María Ezquiaga en Daniel E. Holz. Spectrale sirenes: kosmologie vanuit de volledige massaverdeling van compacte binaire bestanden. Fys. ds. Lett. 129, 061102 – Gepubliceerd op 3 augustus 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061102
