Hur snabbt expanderar vårt universum?
Hubble-konstanten är en av de mest kritiska siffrorna i kosmologin eftersom den talar om för oss hur snabbt universum expanderar. Det finns olika metoder för att mäta denna frekvens. Det är dock viktigt att bestämma detta nummers noggrannhet för att förstå bättre grundläggande frågor som universums ålder, historia och makeup.
Den nya studien av två University of Chicago astrofysiker erbjuder ett sätt att göra denna beräkning: att använda par av kolliderande svarta hål och därigenom förstå universums evolution, vad den är gjord av och vart den är på väg.
Enligt forskare kan den nya tekniken som kallas en "spektral siren" ge information om universums annars svårfångade "tonåren".
Ibland kolliderar två svarta hål. Denna händelse är så kraftfull att den skapar en rum-tids krusning som färdas över universum. Dessa krusningar är också kända som gravitationsvågor.
US Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) och det italienska observatoriet Virgo kan plocka upp dessa krusningar här på jorden. Under de senaste åren har LIGO och Jungfrun samlat in avläsningarna från nästan 100 par svarta hål som kolliderar.
Signalen från varje kollision innehåller information om hur massiva de svarta hålen var. Men signalen har färdats över rymden, och under den tiden har universum expanderat, vilket förändrar signalens egenskaper.
UChicago astrofysiker Daniel Holz, en av de två författarna på tidningen, sa, "Till exempel, om du tog ett svart hål och placerade det tidigare i universum, skulle signalen förändras, och det skulle se ut som ett större svart hål än vad det är."
Att bestämma ett sätt att uppskatta hur den signalen förändrades skulle kunna hjälpa forskare att beräkna universums expansionshastighet. Problemet är dock kalibrering: Hur vet de hur mycket det förändrades från originalet?
I denna nya studie föreslår forskare att de kan använda den nya kunskapen om hela populationen av svarta hål som ett kalibreringsverktyg. Till exempel tyder nuvarande bevis på att de flesta av de upptäckta svarta hålen har mellan fem och 40 gånger massan av vår sol.
Första författaren Jose María Ezquiaga, en NASA Einstein postdoktor och Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow som arbetar med Holz vid UChicago, sa: "Så vi mäter massorna av de närliggande svarta hålen och förstår deras egenskaper, och sedan tittar vi längre bort och ser hur mycket de ytterligare ser ut att ha förskjutits. Och detta ger dig ett mått på universums expansion."
Forskarna är entusiastiska eftersom metoden i framtiden, när LIGO:s kapacitet expanderar, kan ge ett unikt fönster in i universums "tonåringar" - för ungefär 10 miljarder år sedan - som är svåra att studera med andra metoder.
Författare noterade, – Den andra fördelen med den här metoden är att luckor i vår vetenskapliga kunskap skapar färre osäkerheter. Metoden kan kalibrera sig själv genom att använda hela befolkningen av svarta hål, direkt identifiera och korrigera för fel. De andra metoderna som används för att beräkna Hubble-konstanten förlitar sig på vår nuvarande förståelse av stjärnornas och galaxernas fysik, vilket involverar mycket komplicerad fysik och astrofysik. Det betyder att mätningarna kan försvinna en hel del om det är något vi inte vet ännu.”
"Däremot bygger denna nya svarta hålsmetod nästan enbart på Einsteins gravitationsteori, som är väl studerat och har stått upp mot alla sätt som forskare har försökt testa det hittills."
Holz sade, "Ju fler avläsningar de har från alla svarta hål, desto mer exakt blir denna kalibrering. Vi behöver helst tusentals av dessa signaler, som vi borde ha om några år, och ännu fler under de kommande decennierna eller två. Vid den tidpunkten skulle det vara en otroligt kraftfull metod att lära sig om universum.”
Tidskriftsreferens:
- Jose María Ezquiaga och Daniel E. Holz. Spectral Sirens: Cosmology from the Full Mass Distribution of Compact Binaries. Phys. Pastor Lett. 129, 061102 – Publicerad 3 augusti 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061102
