Jak szybko rozszerza się nasz wszechświat?
Stała Hubble'a jest jedną z najważniejszych liczb w kosmologii, ponieważ mówi nam, jak szybko wszechświat się rozszerza. Istnieją różne metody pomiaru tego wskaźnika. Jednak określenie dokładności tej liczby jest niezbędne, aby lepiej zrozumieć fundamentalne pytania, takie jak wiek, historia i skład wszechświata.
Nowe badanie autorstwa dwojga University of Chicago astrofizycy oferują sposób na wykonanie tych obliczeń: użycie par zderzających się czarnych dziur i tym samym zrozumienie ewolucja wszechświata, z czego jest zrobiony i dokąd zmierza.
Zdaniem naukowców nowa technika, nazwana "syreną widmową", może dostarczyć informacji o nieuchwytnych, "nastoletnich" latach wszechświata.
Czasami zderzają się dwie czarne dziury. To wydarzenie jest tak potężne, że tworzy falowanie czasoprzestrzeni który podróżuje po wszechświecie. Te fale są również znane jako fale grawitacyjne.
Amerykańskie obserwatorium laserowe interferometru fal grawitacyjnych (LIGO) i włoskie obserwatorium Virgo mogą wykryć te fale na Ziemi. W ciągu ostatnich kilku lat LIGO i Virgo zebrały odczyty z prawie 100 par czarne dziury zderzają się.
Sygnał z każdej kolizji zawiera informacje o: jak masywne były czarne dziury. Ale sygnał podróżował w przestrzeni iw tym czasie wszechświat się rozszerzył, co zmienia właściwości sygnału.
Astrofizyk z UChicago Daniel Holz, jeden z dwóch autorów artykułu, powiedział: „Na przykład, jeśli weźmiesz czarną dziurę i umieścisz ją wcześniej we wszechświecie, sygnał zmieni się i będzie wyglądać jak większa czarna dziura niż jest”.
Ustalenie sposobu oszacowania, jak zmienił się ten sygnał, może pomóc naukowcom obliczyć tempo ekspansji wszechświata. Problemem jest jednak kalibracja: skąd wiedzą, jak bardzo się zmieniło od oryginału?
W tym nowym badaniu naukowcy sugerują, że mogą wykorzystać nową wiedzę o całej populacji czarnych dziur jako narzędzie kalibracyjne. Na przykład obecne dowody wskazują, że większość wykrytych czarnych dziur ma masę od pięciu do 40 razy większą od masy naszego Słońca.
Pierwszy autor Jose María Ezquiaga, NASA Einstein Postdoctoral Fellow i Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow pracujący z Holzem w UChicago, powiedział: „Więc mierzymy masy pobliskich czarnych dziur i rozumiemy ich cechy, a następnie patrzymy dalej i widzimy, jak bardzo te dalsze wydają się przesunąć. A to daje miarę ekspansji wszechświata”.
Naukowcy są podekscytowani, ponieważ w przyszłości, w miarę rozszerzania się możliwości LIGO, metoda ta może zapewnić unikalne okno na „nastoletnie” lata wszechświata – około 10 miliardów lat temu – które trudno będzie badać innymi metodami.
Autorzy zauważyli, „Inną zaletą tej metody jest to, że luki w naszej wiedzy naukowej powodują mniej niepewności. Metoda może się kalibrować za pomocą całego populacja czarnych dziur, bezpośrednio identyfikując i poprawiając błędy. Inne metody stosowane do obliczenia stałej Hubble'a opierają się na naszym obecnym zrozumieniu fizyki gwiazd i galaktyk, która obejmuje wiele skomplikowanej fizyki i astrofizyki. Oznacza to, że pomiary mogą zostać nieco odrzucone, jeśli jest coś, czego jeszcze nie wiemy”.
„Z drugiej strony ta nowa metoda czarnej dziury opiera się prawie wyłącznie na Teoria grawitacji Einsteina, który jest dobrze zbadany i oparł się wszystkim sposobom, w jakie naukowcy próbowali go do tej pory przetestować”.
Holz powiedziany, „Im więcej odczytów uzyskają ze wszystkich czarnych dziur, tym dokładniejsza będzie ta kalibracja. Potrzebujemy najlepiej tysięcy takich sygnałów, które powinniśmy mieć za kilka lat, a nawet więcej w ciągu następnej dekady lub dwóch. W tym momencie byłaby to niesamowicie potężna metoda poznania wszechświata”.
Referencje czasopisma:
- Jose María Ezquiaga i Daniel E. Holz. Syreny spektralne: kosmologia z dystrybucji pełnej masy kompaktowych plików binarnych. Fiz. Rev. Lett. 129, 061102 – Opublikowany 3 sierpnia 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061102
