Svarta hål-neutronstjärnkollisioner kunde äntligen avgöra de olika mätningarna över universums expansionshastighet
Om du har följt utvecklingen inom astronomi under de senaste åren, kanske du har hört talas om den så kallade 'krisen i kosmologin', som får astronomer att undra om det kan vara något fel med vår nuvarande förståelse av universum. Denna kris kretsar kring den hastighet med vilken universum expanderar: mätningar av expansionshastigheten i det nuvarande universum stämmer inte överens med mätningar av expansionshastigheten under det tidiga universum. Utan någon indikation på varför dessa mätningar kanske inte stämmer överens, har astronomerna svårt att förklara skillnaden.
Det första steget för att lösa detta mysterium är att prova nya metoder för att mäta expansionshastigheten. I en papper publicerade förra veckan, föreslog forskare vid University College London (UCL) att vi skulle kunna skapa ett nytt, oberoende mått på universums expansionshastighet genom att observera kollisioner med svarta hål-neutronstjärnor.
Låt oss backa upp en minut och diskutera var saker och ting står just nu. När vi tittar ut i universum verkar galaxer som är längre bort flytta från oss snabbare än närmre, eftersom själva rymden expanderar. Detta uttrycks av ett tal som kallas Hubble-konstanten, som vanligtvis skrivs som hastigheten (i kilometer per sekund) för en galax en megaparsek (Mpc) bort.
Ett av de bästa sätten att mäta Hubble-konstanten är att observera objekt som kallas Cepheidvariabler. Cepheider är stjärnor som lyser upp och dämpas regelbundet, och deras ljusstyrka råkar bara stämma överens med deras period (den tid det tar att dämpa och bli ljusare igen). Regelbundenheten hos dessa objekt gör det möjligt att uppskatta deras avstånd, och en undersökning av många Cepheider ger oss en Hubble-konstant på cirka 73 km/s/Mpc. Typ 1A supernovor är ett annat vanligt objekt med en känd ljusstyrka, och de ger också en Hubble-konstant som svävar runt 73 km/s/Mpc.
Å andra sidan kan du mäta universums expansion under dess tidigaste fas genom att observera efterglöden från big bang, känd som kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning (CMB). Vårt bästa mått på CMB togs av Europeiska rymdorganisationens rymdfarkost Planck, som släppte sina slutliga data 2018. Planck observerade en Hubble-konstant på 67,66 km/s/Mpc.
Uppskattade värden för Hubble-konstanten. Svart representerar mätningar från Cepheider/Typ 1A supernovor (73 km/s/Mpc). Rött representerar tidiga universums CMB-mätningar (67 km/s/Mpc). Blå visar andra tekniker, vars osäkerheter ännu inte är tillräckligt små för att avgöra mellan de två. Kredit: Renerpho (Wikimedia Commons).
Skillnaden mellan 67 och 73 är inte enorm, och till en början verkade den mest troliga förklaringen till skillnaden vara instrumentfel. Genom efterföljande observationer har dock felstaplarna på dessa mätningar minskat tillräckligt för att skillnaden är statistiskt signifikant. Verkligen en kris!
Det är här UCL-forskarna hoppas kunna kliva in. De föreslår en ny metod för att mäta Hubble-konstanten, som inte på något sätt förlitar sig på de andra två metoderna. Det börjar med en mätning av gravitationsvågor: krusningarna i rymdtiden som orsakas av kollision av massiva föremål som svarta hål. De första gravitationsvågorna upptäcktes först nyligen, 2015, och de har ännu inte associerats med några synliga kollisioner.
Som huvudforskare Stephen Feeney förklarar , 'vi har ännu inte upptäckt ljus från dessa kollisioner. Men framsteg i känsligheten hos utrustning som upptäcker gravitationsvågor, tillsammans med nya detektorer i Indien och Japan, kommer att leda till ett stort steg framåt när det gäller hur många av dessa typer av händelser vi kan upptäcka.”
Gravitationsvågor tillåter oss att fastställa platsen för dessa kollisioner, men vi måste också mäta ljuset från kollisionerna om vi vill mäta deras hastighet. En kollision mellan svarta hål och neutronstjärnor kan vara precis den typ av händelse som skulle producera båda.
Om vi ser tillräckligt många av dessa kollisioner kan vi använda dem för att producera en ny mätning för Hubble-konstanten.
LIGO gravitationsvågdetektor i Louisiana. Bildkredit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory.
UCL-teamet använde simuleringar för att uppskatta hur många kollisioner med svarta hål-neutronstjärnor kan inträffa under det kommande decenniet. De fann att jordens gravitationsvågsdetektorer kan plocka upp 3000 av dem före 2030, och av dessa kommer cirka 100 av dem förmodligen också att producera synligt ljus.
Det skulle räcka. Som sådan kan vi till 2030 ha en helt ny mätning av Hubble-konstanten. Vi vet ännu inte om den nya mätningen kommer att överensstämma med CMB-mätningen, eller med Cepheid/Typ 1A-mätningen, eller inte håller med båda. Men resultatet, vad det än visar sig bli, kommer att vara ett viktigt steg för att reda ut pusslet. Det kan antingen få krisen i kosmologin att vila, eller göra den mer allvarlig, tvinga oss att titta närmare på vår modell av universum och erkänna att det finns mer vi inte vet om universum än vi trodde.
Läs mer: ' Kollisioner med svarta hål-neutronstjärnor kan lösa tvisten om universums expansion .” UCL.
Stephen M. Feeney, Hiranya V. Peiris, Samaya M. Nissanke och Daniel J. Mortlock, ' Utsikter för att mäta Hubble-konstanten med Neutron-Star-Black-Hole-fusioner. 'Fysiska granskningsbrev.
Utvald bild: Ett svart hål som slukar en neutronstjärna. Kredit: Dana Berry/NASA.