Nowa metoda pomiaru tempa rozszerzania się Wszechświata. Fale grawitacyjne mogą pomóc rozwiązać jedną z największych zagadek kosmologii

Zespół badaczy z University of Illinois Urbana-Champaign oraz University of Chicago zaproponował nową metodę pomiaru stałej Hubble’a, wykorzystującą fale grawitacyjne – subtelne zaburzenia w strukturze czasoprzestrzeni. Ich podejście może w przyszłości pomóc rozwiązać jedno z największych współczesnych wyzwań kosmologii, znane jako napięcie Hubble’a.

Kosmiczna zagadka: czym jest napięcie Hubble’a?

Stała Hubble’a opisuje tempo, w jakim rozszerza się Wszechświat. Problem polega na tym, że różne metody jej pomiaru dają różne wyniki.

Obserwacje bardzo odległego, wczesnego Wszechświata – na przykład analizy promieniowania reliktowego – wskazują na jedną wartość tej stałej. Z kolei pomiary oparte na obserwacjach bliższych galaktyk i eksplozji supernowych sugerują inną, wyższą wartość.

Rozbieżność ta jest dziś jednym z najważniejszych nierozwiązanych problemów kosmologii. Jeśli okaże się, że nie wynika ona z błędów pomiarowych, może oznaczać, że nasze modele opisujące wczesny Wszechświat wymagają korekty.

Supernowe i fale grawitacyjne – jak mierzy się ekspansję Wszechświata?

Tradycyjnie astronomowie mierzą tempo ekspansji Wszechświata przy pomocy tzw. standardowych świec – zjawisk o znanej jasności, takich jak supernowe typu Ia. Porównując ich rzeczywistą jasność z jasnością obserwowaną z Ziemi, można obliczyć odległość do eksplozji. Jeśli dodatkowo zmierzymy prędkość oddalania się galaktyki, w której doszło do wybuchu, można wyznaczyć tempo rozszerzania się kosmosu.

W ostatnich latach pojawiła się jednak zupełnie nowa metoda – wykorzystanie fal grawitacyjnych. Powstają one podczas potężnych zderzeń bardzo masywnych obiektów, takich jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe.

Fale te rozchodzą się przez Wszechświat z prędkością światła i mogą być wykrywane przez niezwykle czułe detektory na Ziemi, takie jak sieć LIGO-Virgo-KAGRA, w której pracuje ponad dwa tysiące naukowców z całego świata.

Nowy pomysł: „stochastyczna syrena”

Badacze zaproponowali metodę wykorzystującą zjawisko znane jako tło fal grawitacyjnych. Obecnie detektory potrafią rejestrować pojedyncze zderzenia czarnych dziur. Jednak we Wszechświecie zachodzi ich znacznie więcej – tak wiele, że sygnały z ogromnej liczby odległych zderzeń nakładają się na siebie, tworząc subtelny „szum” w przestrzeni kosmicznej. Ten kosmiczny szum to właśnie tło fal grawitacyjnych.

Naukowcy zauważyli, że jego siła zależy od wartości stałej Hubble’a. Jeśli Wszechświat rozszerza się wolniej, całkowita objętość przestrzeni, w której dochodzi do zderzeń czarnych dziur, jest mniejsza, a więc zdarzenia te są gęściej rozmieszczone. To z kolei powinno wzmacniać sygnał tła fal grawitacyjnych. Jeżeli detektory nie rejestrują takiego sygnału, można wykluczyć część możliwych wartości stałej Hubble’a.

Autorzy nazwali tę metodę „stochastyczną syreną”, ponieważ wykorzystuje losowe (stochastyczne) zderzenia czarnych dziur składające się na tło fal grawitacyjnych.

Pierwsze wyniki

Zespół zastosował swoją metodę do danych zebranych przez współpracę LIGO-Virgo-KAGRA. Choć tło fal grawitacyjnych nie zostało jeszcze bezpośrednio wykryte, sam fakt jego braku pozwolił ograniczyć możliwe wartości stałej Hubble’a.

Połączenie nowej metody z pomiarami opartymi na pojedynczych zderzeniach czarnych dziur umożliwiło uzyskanie dokładniejszego oszacowania tempa ekspansji Wszechświata.

Detektory fal grawitacyjnych są wciąż udoskonalane, a ich czułość rośnie z każdym kolejnym etapem obserwacji. Naukowcy spodziewają się, że tło fal grawitacyjnych może zostać wykryte w ciągu najbliższych kilku lat. Gdy to nastąpi, metoda stochastycznej syreny może stać się jednym z najważniejszych narzędzi do badania ekspansji kosmosu. Jeśli pomoże ona rozwiązać napięcie Hubble’a, może to oznaczać prawdziwą rewolucję w kosmologii – i nowe spojrzenie na historię oraz strukturę naszego Wszechświata.

Źródło: University of Illinois Urbana-Champaign