Zespół naukowców twierdzi, że możliwe jest wykorzystanie drobnych zmarszczek w przestrzeni i czasie, czyli fal grawitacyjnych, do pomiaru tempa rozszerzania się naszego Wszechświata. Może to rozwiązać jedną z największych zagadek współczesnej fizyki, rozbieżność w obliczaniu współczynnika zwanego „napięciem Hubble’a”.
Naukowcy wiedzą od 1998 roku, że nie tylko wszechświat się rozwija, ale także, że tempo ekspansji przyspiesza. “Ciemna energia„ została wprowadzona jako nazwa zastępcza tajemniczej siły napędzającej to przyspieszenie, ale istnieje nierozstrzygnięta kwestia dotycząca ogólnego tempa ekspansji Wszechświata, nawet po ponad dwudziestu i połowie badań.
Kluczowa część w mierzeniu tempa naszego wszechświata ekspansja jest Stała Hubble’a. Tak zwane „napięcie Hubble’a” wynika z faktu, że gdy mierzy się stałą Hubble’a, począwszy od wszechświata lokalnego i współczesnego – za pomocą Supernowe typu 1a za swoje pomiary — otrzymujesz jedną wartość. Jeśli jednak zaczniesz obliczenia od odległego i starożytnego kosmosu i do pomiaru odpowiedzi użyjesz głównego modelu fizyki zwanego standardowym modelem kosmologii, otrzymasz inną wartość. Dlatego naukowcy od dawna poszukiwali trzeciego sposobu pomiaru stałej Hubble’a, jako dodatkowego sposobu sprawdzenia jej prawdziwej wartości. Teraz zespół naukowców z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign i Uniwersytetu w Chicago uważa, że odpowiedź leży w fale grawitacyjne.
„Ten wynik jest bardzo znaczący — ważne jest uzyskanie niezależnego pomiaru stałej Hubble’a, aby określić aktualne napięcie Hubble’a” – lider zespołu Nicolas Yunes, dyrektor-założyciel Centrum Zaawansowanych Studiów Wszechświata w Urbana w Illinois (ICASU), – napisano w oświadczeniu. „Nasza metoda to innowacyjny sposób na zwiększenie dokładności wnioskowania o stałych Hubble’a za pomocą fal grawitacyjnych”.
Dlaczego fale grawitacyjne?
Historia fal grawitacyjnych rozpoczyna się w 1915 roku Alberta Einsteinateoria grawitacji, tzw ogólna teoria względności. Ogólna teoria względności sugeruje, że obiekty posiadające masę powodują wypaczenie samej struktury czasoprzestrzeni (czterowymiarowego zjednoczenia przestrzeni i czasu). To, czego doświadczamy jako grawitacja, powstaje w wyniku tego wypaczenia; im większa masa, tym większa krzywizna i silniejszy efekt grawitacyjny.
Jednakże ogólna teoria względności przewiduje również, że gdy obiekty przyspieszają w czasoprzestrzeni, powoduje to powstawanie zmarszczek, które promieniują na zewnątrz w prędkość światła. Nazywa się je falami grawitacyjnymi. Ludzkość dokonała pierwszego odkrycia fal grawitacyjnych w 2015 roku dzięki Obserwatorium Fal Grawitacyjnych z Interferometrem Laserowym (LIGO) w USA Wykryte fale powstały w wyniku zderzenia i połączenia dwóch masywów czarne dziury znajduje się około 1,3 miliarda lat świetlnych od nas. Od tego czasu, wraz z innymi detektorami Virgo i Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) we Włoszech i Japonii, LIGO wykrył fale grawitacyjne powstałe w wyniku wielu połączeń par czarnych dziur, par ultragęstych gwiazd neutronowych, a nawet mieszanego połączenia czarnej dziury i gwiazdy neutronowej.
Fale grawitacyjne proponowano już wcześniej jako metodę pomiaru stałej Hubble’a, ale problem polegał na tym, że nie zapewniały one odpowiedniej dokładności. Zespół uważa, że ich nowatorskie podejście zapewnia taką dokładność i twierdzi, że będzie ona wzrastać tylko w miarę zwiększania się czułości naszych detektorów fal grawitacyjnych.
„Nie codziennie pojawia się zupełnie nowe narzędzie kosmologii. Pokazujemy, że wykorzystując szum fal grawitacyjnych tła powstający podczas łączenia się czarnych dziur w odległych galaktykach, możemy dowiedzieć się o wieku i składzie Wszechświata” – powiedział Daniel Holz z Uniwersytetu w Chicago. „To ekscytujący i zupełnie nowy kierunek i nie możemy się doczekać zastosowania naszych metod do przyszłych zbiorów danych, aby pomóc w ograniczeniu stałej Hubble’a, a także innych kluczowych wielkości kosmologicznych”.
Aby wykorzystać fale grawitacyjne do pomiaru stałej Hubble’a, naukowcy muszą zmierzyć prędkość, z jaką zdarzenia wywołujące fale oddalają się od nas, a nie tylko oszacować odległość do tych zdarzeń. Wymaga to od astronomów śledzenia światła, a dokładniej promieniowania elektromagnetycznego, pochodzącego z tych wydarzeń, a nawet z galaktyk, w których zachodzą te zdarzenia.
Porównując te dwie formy astronomii, zunifikowane jako tak zwana „astronomia wieloposłankowa”, naukowcy mogą uzyskać dwie wartości stałej Hubble’a: jedną dla samego promieniowania elektromagnetycznego, drugą dla promieniowania elektromagnetycznego i fal grawitacyjnych. Jeśli te techniki nie będą ze sobą zgodne, napięcie Hubble’a będzie się utrzymywać, a naukowcy wiedzą, że we wczesnym Wszechświecie i we współczesnym wszechświecie jest coś innego, czego obecnie nie wyjaśniono.
Zespół proponuje zastosowanie w technice zwanej metodą syreny stochastycznej to fale grawitacyjne tła. Można to uznać za brzęczenie wszechświata w tle, spowodowane szeregiem bardziej odległych zdarzeń kolizyjnych, leżących u podstaw tej głośnej orkiestry zderzeń, składającej się ze stosunkowo bliskich połączeń masywnych czarnych dziur.
„Ponieważ obserwujemy pojedyncze zderzenia czarnych dziur, możemy określić częstotliwość tych zderzeń zachodzących w całym wszechświecie” – powiedział Cousins. „Na podstawie tych wskaźników spodziewamy się, że będzie znacznie więcej zdarzeń, których nie będziemy w stanie zaobserwować, co nazywa się tłem fali grawitacyjnej”.
Cousins i współpracownicy argumentują, że przy niższych wartościach stałej Hubble’a dostępna jest mniejsza objętość przestrzeni, w której mogą wystąpić zderzenia, co skutkuje większą gęstością zderzeń, a tym samym silniejszym sygnałem tła fali grawitacyjnej. Zatem jeśli nie można wykryć tego tła, wskazuje to na wyższą stałą Hubble’a.
Chociaż konglomerat LIGO-Virgo-KAGRA nie jest jeszcze czuły na wykrywanie tła fal grawitacyjnych, zespołowi udało się zastosować metodę syreny stochastycznej do danych zebranych przez te detektory. Odkryli, że oznacza to wyższe wartości stałej Hubble’a, a tym samym szybsze uniwersalne tempo ekspansji.
To był tylko dowód koncepcji dla zespołu; metoda syreny stochastycznej może naprawdę zastosować się w ciągu najbliższych sześciu lat, w miarę wzrostu czułości i umożliwienia naukowcom zaostrzenia ograniczeń stałej Hubble’a. Po tym okresie detektory fal grawitacyjnych powinny być wystarczająco czułe, aby „usłyszeć” większość tła fal grawitacyjnych, a metoda ta mogła rozwinąć się na tyle, aby zapewnić niezależny pomiar stałej Hubble’a, potencjalnie kończąc napięcie Hubble’a.
„Powinno to utorować drogę do zastosowania tej metody w przyszłości, w miarę jak będziemy nadal zwiększać czułość, lepiej ograniczać tło fal grawitacyjnych, a może nawet je wykrywać” – powiedział Cousins. „Uwzględniając te informacje, spodziewamy się uzyskać lepsze wyniki kosmologiczne i być bliżej rozwiązania napięcia Hubble’a”.
Wyniki badań zespołu ukazały się w wydaniu czasopisma z 11 marca Listy z przeglądu fizycznego.
