Vũ trụ của chúng ta đang mở rộng nhanh như thế nào?
Hằng số Hubble là một trong những con số quan trọng nhất trong vũ trụ học vì nó cho chúng ta biết vũ trụ đang giãn nở nhanh như thế nào. Có nhiều phương pháp khác nhau tồn tại để đo tỷ lệ này. Tuy nhiên, việc xác định độ chính xác của con số này là điều cần thiết để hiểu rõ hơn các câu hỏi cơ bản như tuổi, lịch sử và cấu tạo của vũ trụ.
Nghiên cứu mới của hai Đại học Chicago các nhà vật lý thiên văn đưa ra một cách để thực hiện phép tính này: sử dụng các cặp lỗ đen đang va chạm và từ đó hiểu được tiến hóa vũ trụ, nó được tạo ra từ cái gì và nó sẽ đi đâu.
Theo các nhà khoa học, kỹ thuật mới được mệnh danh là 'còi báo quang phổ' có thể cung cấp thông tin về những năm 'tuổi thiếu niên' khó nắm bắt của vũ trụ.
Thỉnh thoảng, hai lỗ đen va chạm với nhau. Sự kiện này mạnh mẽ đến nỗi nó tạo ra một gợn sóng không thời gian mà đi khắp vũ trụ. Những gợn sóng này còn được gọi là sóng hấp dẫn.
Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser của Hoa Kỳ (LIGO) và đài quan sát Virgo của Ý có thể thu được những gợn sóng đó ở đây trên Trái đất. Trong vài năm qua, LIGO và Virgo đã thu thập các bài đọc từ gần 100 cặp lỗ đen va chạm.
Tín hiệu từ mỗi va chạm chứa thông tin về các lỗ đen lớn như thế nào. Nhưng tín hiệu đã truyền qua không gian và trong thời gian đó, vũ trụ đã mở rộng, điều này làm thay đổi các thuộc tính của tín hiệu.
Nhà vật lý thiên văn Daniel Holz của UChicago, một trong hai tác giả của bài báo, cho biết, “Ví dụ, nếu bạn lấy một lỗ đen và đặt nó sớm hơn trong vũ trụ, tín hiệu sẽ thay đổi và nó sẽ giống như một lỗ đen lớn hơn thực tế.”
Xác định cách ước tính tín hiệu đó thay đổi như thế nào có thể giúp các nhà khoa học tính toán tốc độ giãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, vấn đề là hiệu chỉnh: Làm sao họ biết nó đã thay đổi bao nhiêu so với ban đầu?
Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học gợi ý rằng họ có thể sử dụng kiến thức mới về toàn bộ quần thể hố đen như một công cụ hiệu chuẩn. Ví dụ, bằng chứng hiện tại chỉ ra rằng hầu hết các lỗ đen được phát hiện có khối lượng từ 40 đến XNUMX lần khối lượng mặt trời của chúng ta.
Tác giả đầu tiên Jose María Ezquiaga, Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của NASA Einstein và Viện Vật lý Vũ trụ Kavli làm việc với Holz tại UChicago, cho biết: “Vì vậy, chúng tôi đo khối lượng của các lỗ đen gần đó và hiểu các đặc điểm của chúng, sau đó chúng tôi nhìn ra xa hơn và xem những lỗ đen xa hơn dường như đã dịch chuyển bao nhiêu. Và điều này cho bạn thước đo về sự giãn nở của vũ trụ.”
Các nhà khoa học rất hào hứng vì trong tương lai, khi khả năng của LIGO mở rộng, phương pháp này có thể cung cấp một cửa sổ duy nhất vào những năm “tuổi teen” của vũ trụ—khoảng 10 tỷ năm trước—rất khó nghiên cứu bằng các phương pháp khác.
Các tác giả lưu ý, “Ưu điểm khác của phương pháp này là những lỗ hổng trong kiến thức khoa học của chúng ta tạo ra ít sự không chắc chắn hơn. Phương pháp có thể tự hiệu chuẩn bằng cách sử dụng toàn bộ dân số lỗ đen, trực tiếp xác định và sửa lỗi. Các phương pháp khác được sử dụng để tính toán hằng số Hubble dựa trên hiểu biết hiện tại của chúng ta về vật lý của các ngôi sao và thiên hà, bao gồm rất nhiều vật lý phức tạp và vật lý thiên văn. Điều này có nghĩa là các phép đo có thể bị sai lệch khá nhiều nếu có điều gì đó mà chúng ta chưa biết.”
“Ngược lại, phương pháp lỗ đen mới này gần như hoàn toàn dựa vào Thuyết hấp dẫn của Einstein, đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và đã chống lại tất cả các cách mà các nhà khoa học đã cố gắng kiểm tra nó cho đến nay.”
Holz nói, “Họ càng thu được nhiều kết quả từ tất cả các lỗ đen, thì quá trình hiệu chuẩn này sẽ càng chính xác. Tốt nhất là chúng ta cần hàng nghìn tín hiệu như vậy, mà chúng ta sẽ có trong vài năm tới, và thậm chí nhiều hơn nữa trong một hoặc hai thập kỷ tới. Vào thời điểm đó, nó sẽ là một phương pháp vô cùng mạnh mẽ để tìm hiểu về vũ trụ.”
Tạp chí tham khảo:
- Jose María Ezquiaga và Daniel E. Holz. Còi báo quang phổ: Vũ trụ học từ sự phân bố khối lượng đầy đủ của các nhị phân nhỏ gọn. Thể chất. Rev. Lett. 129, 061102 - Xuất bản ngày 3 tháng 2022 năm XNUMX. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061102
