Sedan starten för 13,8 miljarder år sedan har universum fortsatt att expandera och spridit hundratals miljarder galaxer och stjärnor som russin i en snabbt stigande deg. Astronomer har riktat teleskop mot vissa stjärnor och andra kosmiska källor för att mäta deras avstånd från jorden och deras borttagningshastighet, två parametrar som behövs för att beräkna Hubble-konstanten, en måttenhet som beskriver den hastighet med vilken universum expanderar.
Men hittills gav de mest exakta försöken att uppskatta Hubble-konstanten mycket spridda värden och gjorde det inte möjligt att göra en slutlig slutsats om hur snabbt universum växer. Denna information, enligt forskare, borde belysa universums ursprung och dess öde: kommer kosmos att expandera oändligt eller kommer en dag att krympa?
Och så har forskare från Massachusetts Institute of Technology och Harvard University föreslagit ett mer exakt och oberoende sätt att mäta Hubble-konstanten med gravitationsvågor som emitteras av relativt sällsynta system: ett binärt system svart hål - neutronstjärna, ett energiskt par vridet i en spiral av ett svart hål och en neutronstjärna. När dessa objekt rör sig i dansen skapar de skakande vågor i rymden och en ljusblixt när den sista kollisionen inträffar.
I ett papper som publicerades 12 juli i Physical Review Letters rapporterade forskarna att ljusstrålen gör det möjligt för forskare att uppskatta systemets hastighet, det vill säga hur snabbt det rör sig bort från jorden. De utsända gravitationsvågorna, om de fångas på jorden, bör ge en oberoende och exakt mätning av avståndet till systemet. Trots det faktum att binära system med svarta hål och neutronstjärnor är oerhört sällsynta, uppskattar forskare att upptäckten av till och med några få av dem kommer att göra den mest exakta uppskattningen av Hubble-konstanten och universums expansionshastighet hittills.
"Binära system med svarta hål och neutronstjärnor är mycket komplexa system som vi inte vet mycket om", säger Salvatore Vitale, docent i fysik vid MIT och huvudförfattare till tidningen. "Om vi hittar en kommer priset att vara vårt radikala genombrott för att förstå universum."
Vitale är medförfattare av Hsin-Yu Chen från Harvard.
Kampanjvideo:
Tävlande konstanter
Två oberoende mätningar av Hubble-konstanten gjordes nyligen, den ena med NASA: s Hubble Space Telescope och den andra med Europeiska rymdorganisationens Planck-satellit. Hubbles mätning baserades på observationer av en stjärna som kallas Cepheid-variabeln, samt observationer av supernovor. Båda dessa objekt betraktas som "standardljus" för förutsägbarheten i ljusstyrka, genom vilken forskare uppskattar avståndet till en stjärna och dess hastighet.
En annan typ av bedömning baseras på observationer av fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrunden - elektromagnetisk strålning som förblev efter Big Bang, när universum fortfarande var i sin linda. Även om observationerna för båda sonderna är extremt korrekta skiljer sig deras uppskattningar av Hubble-konstanten mycket.
"Och det är här LIGO spelar in", säger Vitale.
LIGO, eller laserinterferometrisk gravitationsvågobservatorium, letar efter gravitationella vågor - krusningar på rymdtidens tyg, som är född som ett resultat av astrofysiska katastrofer.
"Gravitationsvågor är ett mycket enkelt och enkelt sätt att mäta avstånd till sina källor", säger Vitale. "Det vi hittade med LIGO är ett direkt avtryck av avståndet till källan, utan ytterligare analys."
År 2017 fick forskare sin första chans att uppskatta Hubble-konstanten från en gravitationskälla när LIGO och dess italienska motsvarighet Virgo upptäckte ett par kolliderande neutronstjärnor för första gången i historien. Denna kollision släppte en enorm mängd gravitationella vågor, som forskare mätte för att bestämma avståndet från jorden till systemet. Fusionen avgav också ett ljusskott som astronomer kunde analysera med markbaserade och rymdteleskop för att bestämma systemets hastighet.
Efter att ha fått båda mätningarna beräknade forskarna ett nytt värde för Hubble-konstanten. Uppskattningen kom emellertid med en relativt stor osäkerhet på 14%, mycket mer osäker än de värden som beräknades med Hubble och Planck.
Vitale säger att mycket av osäkerheten härrör från det faktum att det är svårt att tolka avståndet från ett binärt system till jorden med de gravitationsvågor som genereras av det systemet.
”Vi mäter avståndet genom att titta på hur” högt”gravitationen är, det vill säga hur ren vår data är”, säger Vitale.”Om allt är klart kan du se att det är högt och bestämma avståndet. Men detta gäller bara delvis för binära system."
Faktum är att dessa system, som genererar en virvlande energiskiva när dansen mellan två neutronstjärnor utvecklas, avger gravitationsvågor ojämnt. De flesta gravitationsvågorna skjuts från mitten av skivan, medan mycket mindre av dem skjuts ut från kanterna. Om forskare upptäcker en”hög” gravitationell vågsignal kan detta indikera ett av två scenarier: de upptäckta vågorna föds vid kanterna på ett system som ligger mycket nära jorden, eller vågorna kommer från mitten av ett mycket längre system.
"När det gäller binära stjärnsystem är det mycket svårt att skilja mellan dessa två situationer", säger Vitale.
Nya vågen
År 2014, även innan LIGO upptäckte de första gravitationsvågorna, observerade Vitale och hans kollegor att ett binärt system med ett svart hål och en neutronstjärna kunde ge en mer exakt avståndsmätning än binära neutronstjärnor. Teamet studerade hur exakt rotationen av ett svart hål kan mätas, förutsatt att dessa objekt roterar på sin axel, precis som jorden, bara snabbare.
Forskare har modellerat olika system med svarta hål, inklusive neutronstjärnsystem i svart hål och binära neutronstjärnsystem. Längs vägen fann man att avståndet till det svarta hålet - neutronstjärnsystem kan bestämmas mer exakt än till neutronstjärnor. Vitale säger att detta beror på att det svarta hålet snurrar runt neutronstjärnan eftersom det hjälper till att bättre avgöra var gravitationsvågorna kommer ifrån i systemet.
"På grund av den mer exakta avståndsmätningen trodde jag att binära svarthål-neutronstjärnsystem kan vara en mer lämplig referenspunkt för mätning av Hubble-konstanten", säger Vitale. "Sedan dess har mycket hänt med LIGO och gravitationsvågor har upptäckts, så allt bleknade i bakgrunden."
Vitale har nyligen återvänt till sin ursprungliga observation.
"Fram till nu har människor föredragit binära neutronstjärnor som ett sätt att mäta Hubble-konstanten med gravitationsvågor", säger Vitale.”Vi har visat att det finns en annan typ av gravitationsvågkälla som inte har utnyttjats fullt ut tidigare: svarta hål och neutronstjärnor som dansar runt. LIGO kommer att börja samla in data igen i januari 2019 och kommer att vara mycket känsligare, vilket innebär att vi kan se avlägsna objekt. Därför kommer LIGO att kunna se åtminstone ett system med ett svart hål och en neutronstjärna, eller bättre alla tjugofem, och detta kommer att hjälpa till att lösa den befintliga spänningen vid mätning av Hubble-konstanten, förhoppningsvis, under de närmaste åren.
Ilya Khel