Hvor raskt utvider universet vårt seg?
Hubble-konstanten er et av de mest kritiske tallene i kosmologi fordi den forteller oss hvor raskt universet utvider seg. Det finnes forskjellige metoder for å måle denne frekvensen. Imidlertid er det viktig å bestemme dette tallets nøyaktighet for å forstå bedre grunnleggende spørsmål som universets alder, historie og sammensetning.
Den nye studien av to University of Chicago astrofysikere tilbyr en måte å gjøre denne beregningen på: å bruke par med kolliderende sorte hull og dermed forstå universets evolusjon, hva den er laget av, og hvor den skal.
Ifølge forskere kan den nye teknikken kalt en "spektral sirene" gi informasjon om universets ellers unnvikende "tenåringsår".
Noen ganger kolliderer to sorte hull. Denne hendelsen er så kraftig at den skaper en rom-tid krusning som reiser over universet. Disse krusningene er også kjent som gravitasjonsbølger.
US Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) og det italienske observatoriet Virgo kan fange opp disse krusningene her på jorden. I løpet av de siste årene har LIGO og Jomfruen samlet avlesningene fra nesten 100 par sorte hull kolliderer.
Signalet fra hver kollisjon inneholder informasjon om hvor massive de sorte hullene var. Men signalet har reist over verdensrommet, og i løpet av den tiden har universet utvidet seg, noe som endrer egenskapene til signalet.
UChicago-astrofysiker Daniel Holz, en av de to forfatterne på papiret, sa: "For eksempel, hvis du tok et sort hull og satte det tidligere i universet, ville signalet endret seg, og det ville se ut som et større svart hull enn det er."
Å bestemme en måte å anslå hvordan dette signalet endret seg, kan hjelpe forskere med å beregne ekspansjonshastigheten til universet. Problemet er imidlertid kalibrering: Hvordan vet de hvor mye den endret seg fra originalen?
I denne nye studien foreslår forskere at de kan bruke den nye kunnskapen om hele populasjonen av sorte hull som et kalibreringsverktøy. For eksempel tyder nåværende bevis på at de fleste av de oppdagede sorte hullene har mellom fem og 40 ganger massen til solen vår.
Førsteforfatter Jose María Ezquiaga, en NASA Einstein postdoktor og Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow som jobber med Holz ved UChicago, sa: "Så vi måler massene til de nærliggende sorte hullene og forstår egenskapene deres, og så ser vi lenger bort og ser hvor mye de ytterligere ser ut til å ha forskjøvet seg. Og dette gir deg et mål på utvidelsen av universet.»
Forskerne er begeistret fordi i fremtiden, ettersom LIGOs evner utvides, kan metoden gi et unikt vindu inn i universets «tenåringer» – for omtrent 10 milliarder år siden – som er vanskelig å studere med andre metoder.
Forfattere bemerket, «Den andre fordelen med denne metoden er at hull i vår vitenskapelige kunnskap skaper mindre usikkerhet. Metoden kan kalibrere seg selv ved å bruke hele befolkningen av sorte hull, direkte identifisere og korrigere for feil. De andre metodene som brukes til å beregne Hubble-konstanten, er avhengig av vår nåværende forståelse av fysikken til stjerner og galakser, som involverer mye komplisert fysikk og astrofysikk. Dette betyr at målingene kan bli forkastet ganske mye hvis det er noe vi ikke vet ennå.»
"Derimot er denne nye svarte hull-metoden nesten avhengig av Einsteins teori om tyngdekraften, som er godt studert og har stått opp mot alle måtene forskere har prøvd å teste det på så langt.»
Holz sa, «Jo flere avlesninger de har fra alle sorte hull, jo mer nøyaktig vil denne kalibreringen være. Vi trenger helst tusenvis av disse signalene, som vi bør ha om noen år, og enda flere i løpet av det neste tiåret eller to. På det tidspunktet ville det være en utrolig kraftig metode for å lære om universet.»
Tidsreferanse:
- Jose María Ezquiaga og Daniel E. Holz. Spectral Sirens: Kosmologi fra full massedistribusjon av kompakte binære filer. Phys. Prest Lett. 129, 061102 – Publisert 3. august 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061102
