Een artistieke afbeelding van twee neutronensterren die samensmelten en zwaartekrachtsgolven vrijgeven.
(Afbeelding: © R. Hurt / Caltech-JPL)
Analyseren rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd gemaakt door paren van dode sterren kan binnenkort een kosmisch mysterie oplossen over hoe snel het heelal uitdijt - als wetenschappers geluk hebben.
Dat is het oordeel van een nieuwe studie, die ook licht kan werpen op het uiteindelijke lot van het universum, aldus de onderzoekers die eraan hebben gewerkt.
De kosmos is sinds zijn geboorte ongeveer 13,8 miljard jaar geleden blijven groeien. Door het meten van de huidige snelheid van de uitdijing van het universum, bekend als de Hubble-constantekunnen wetenschappers de leeftijd van de kosmos en details van de huidige staat afleiden. Ze kunnen het nummer zelfs gebruiken om te proberen te leren het lot van het universum, zoals of het voor altijd zal uitzetten, op zichzelf zal instorten of volledig uit elkaar zal scheuren.
Wetenschappers gebruiken twee primaire methoden om de Hubble-constante te meten. Een daarvan is het volgen van objecten in de buurt waarvan de eigenschappen wetenschappers goed begrijpen, zoals stellaire explosies die bekend staan als supernova's en pulserende sterren die bekend staan als Cepheid-variabelen, om hun afstanden te schatten en vervolgens de uitzettingssnelheid van het heelal af te leiden. De andere richt zich op de kosmische microgolfachtergrond, de overgebleven straling van de oerknal, en onderzoekt hoe deze in de loop van de tijd is veranderd om te berekenen hoe snel de kosmos is uitgebreid.
Dit paar technieken heeft echter opgeleverd twee verschillende resultaten voor de waarde van de Hubble-constante. Gegevens van de kosmische microgolfachtergrond suggereren dat het universum zich momenteel uitbreidt met een snelheid van ongeveer 41,6 mijl (67 kilometer) per seconde per 3,26 miljoen lichtjaar, terwijl gegevens van supernova's en Cepheids in het nabijgelegen universum een snelheid suggereren van ongeveer 45,3 mijl ( 73 km) per seconde per 3,26 miljoen lichtjaar.
Deze discrepantie suggereert dat het standaard kosmologische model - het inzicht van wetenschappers in de structuur en geschiedenis van het universum - verkeerd zou kunnen zijn. Het oplossen van dit debat, bekend als de Hubble constant conflict, zou licht kunnen werpen op de evolutie en het uiteindelijke lot van de kosmos.
In de nieuwe studie suggereren natuurkundigen dat toekomstige gegevens van de rimpelingen in de structuur van ruimte en tijd, bekend als zwaartekrachtgolven, kunnen helpen deze impasse te doorbreken. "Het constante conflict van Hubble - de grootste aanwijzing dat ons model van het universum onvolledig is - is binnen vijf tot tien jaar op te lossen", vertelde hoofdonderzoeksauteur Stephen Feeney, een astrofysicus bij het Flatiron Institute in New York, aan Space.com.
Volgens Einstein's theorie van algemene relativiteit, zwaartekracht is het gevolg van hoe massa de ruimtetijd verstoort. Wanneer een object met massa beweegt, zou het zwaartekrachtsgolven moeten produceren die met de snelheid van het licht ritselen, en daarbij ruimte-tijd uitrekken en samendrukken.
Zwaartekrachtsgolven zijn buitengewoon zwak en pas in 2016 ontdekten wetenschappers het eerste directe bewijs ervan. In 2017 ontdekten wetenschappers ook zwaartekrachtsgolven van botsende neutronensterren, overblijfselen van sterren die zijn omgekomen bij catastrofale explosies die bekend staan als supernova's. Als de overblijfselen van een ster niet massief genoeg zijn om in te storten om een zwart gat te worden, zullen ze in plaats daarvan eindigen als een neutronenster, zo genoemd omdat de zwaartekracht sterk genoeg is om protonen samen met elektronen te verpletteren om neutronen te vormen.
In tegenstelling tot zwarte gaten zenden neutronensterren zichtbaar licht uit, evenals hun botsingen. De zwaartekrachtsgolven van deze fusies, ook wel 'standaardsirenes' genoemd, zullen wetenschappers helpen hun afstand tot de aarde te bepalen, terwijl het licht van deze botsingen zal helpen bij het bepalen van de snelheid waarmee ze ten opzichte van de aarde bewogen. Onderzoekers kunnen vervolgens beide sets gegevens gebruiken om de Hubble-constante te berekenen. Volgens Feeney en zijn collega's kan het analyseren van crashes tussen ongeveer 50 paar neutronensterren in de komende vijf tot tien jaar voldoende gegevens opleveren om de beste meting tot nu toe van de Hubble-constante te bepalen.
Die schatting hangt echter af van hoe vaak botsingen met neutronensterren plaatsvinden. 'Er is veel onzekerheid over de snelheid van fusies van neutronensterren - we hebben er tenslotte maar één gezien, "zei Feeney." Als we veel geluk hadden dat te zien, en fusies zijn eigenlijk veel zeldzamer dan we denken, als we kijken naar het aantal fusies dat nodig is om de constante van Hubble te verklaren? conflicten kunnen langer duren dan we in ons werk hebben aangegeven. "
Zwaartekrachtsgolven kunnen uiteindelijk de ene waarde voor de Hubble-constante ondersteunen boven de andere, maar ze kunnen ook een nieuwe derde waarde voor de Hubble-constante bepalen, zei Feeney. Als dit gebeurt, kan dit leiden tot nieuwe inzichten over het gedrag van supernova's, cepheids- of neutronensterren, voegde hij eraan toe.
De wetenschappers hebben gedetailleerd hun bevindingen online 14 februari in het tijdschrift Physical Review Letters.
