Astrofizycy proponują nową metodę pomiaru ekspansji kosmosu: soczewkowe fale grawitacyjne

(Wiadomości z Nanwerku) wszechświat się rozszerza. Mamy na to dowody od prawie wieku. Ale to, jak szybko ciała niebieskie oddalają się od siebie, jest nadal przedmiotem dyskusji.

Nie jest łatwo zmierzyć szybkość, z jaką obiekty oddalają się od siebie na duże odległości. Od czasu odkrycia kosmicznej ekspansji jej tempo było mierzone i ponownie mierzone z coraz większą precyzją, przy czym niektóre ostatnie wartości wahały się od 67,4 do 76,5 kilometrów na sekundę na megaparsek, co wiąże prędkość stagnacji (w kilometrach na sekundę) z odległością ( w megaparsekach).

Rozbieżność między różnymi pomiarami ekspansji kosmicznej nazywana jest „napięciem Hubble’a”. Niektórzy opisali to jako kryzys w kosmologii. Ale dla astrofizyka teoretycznego z UC Santa Barbara, Tejaswe Venomadhava Nirelli i współpracowników z Tata Institute for Fundamental Research w Bangalore w Indiach oraz Międzyuczelnianego Centrum Astronomii i Astrofizyki w Pune w Indiach, jest to ekscytujący czas.

Od pierwszego wykrycia fal grawitacyjnych w 2015 r. detektory zostały znacznie ulepszone i są gotowe do generowania dużej liczby sygnałów w nadchodzących latach. Nerella i jego współpracownicy znaleźli sposób na wykorzystanie tych sygnałów do pomiaru rozszerzania się Wszechświata i mogą pomóc raz na zawsze rozstrzygnąć spór. powiedział Nirella, współautor artykułu badawczego opublikowanego w Fizyczne listy przeglądowe („Kosmologia wykorzystująca silne soczewkowe fale grawitacyjne z podwójnych czarnych dziur”). Masywne obiekty, takie jak galaktyki, mogą odbijać fale grawitacyjne od łączących się czarnych dziur, w wyniku czego wiele kopii tego samego sygnału dociera do Ziemi w różnym czasie. To opóźnienie między sygnałami można wykorzystać do obliczenia kosmicznej ekspansji. (Zdjęcie: A. Anugraha, ICTS)

Pomiary tempa kosmicznej ekspansji sprowadzają się do prędkości i odległości. Astronomowie stosują dwa rodzaje metod mierzenia odległości. Po pierwsze, zaczynają od obiektów o znanej długości („standardowych linijkach”) i patrzą, jak duże wydają się na niebie. Te „rzeczy” to cechy kosmicznego promieniowania tła lub rozkładu galaktyk we wszechświecie.

Druga klasa metod zaczyna się od obiektów o znanej jasności („świece wzorcowe”) i mierzy ich odległości od Ziemi na podstawie ich pozornej jasności. Odległości te korelują z odległościami odległych jasnych obiektów i tak dalej, tworząc serię wykresów pomiarowych często nazywanych „kosmologiczną drabiną odległości”. Nawiasem mówiąc, same fale grawitacyjne mogą również pomóc w pomiarze kosmicznej ekspansji, ponieważ energia uwolniona ze zderzenia gwiazd neutronowych lub czarnych dziur może zostać wykorzystana do oszacowania odległości do tych obiektów.

Metoda zaproponowana przez Nirellę i współpracowników należy do drugiej kategorii, ale wykorzystuje soczewkowanie grawitacyjne. Zjawisko to występuje, gdy masywne obiekty zakrzywiają czasoprzestrzeń, zaginając wszelkiego rodzaju fale przemieszczające się w pobliżu obiektów. W rzadkich przypadkach soczewkowanie może wytworzyć wiele kopii tego samego sygnału fali grawitacyjnej docierającej do Ziemi w różnym czasie — opóźnienia między sygnałami dla kombinacji wielu sfotografowanych zdarzeń można wykorzystać do obliczenia tempa ekspansji Wszechświata, zgodnie z badacze.

„Bardzo dobrze rozumiemy, jak czułe są detektory fal grawitacyjnych i nie ma astrofizycznych źródeł zamieszania, więc możemy właściwie zrozumieć, co trafia do naszego katalogu wydarzeń” – powiedział Nirella. „Nowa metoda ma źródła błędów, które uzupełniają istniejące metody, co czyni ją dobrym wyróżnikiem”.

Źródłem tych sygnałów byłyby podwójne czarne dziury: układy dwóch czarnych dziur krążących wokół siebie i ostatecznie łączących się, uwalniając ogromne ilości energii w postaci fal grawitacyjnych. Nie wykryliśmy jeszcze przykładów tych sygnałów z silną soczewką, ale oczekuje się, że następna generacja detektorów naziemnych będzie miała niezbędny poziom czułości.

„Oczekujemy pierwszej obserwacji soczewkowatych fal grawitacyjnych w ciągu najbliższych kilku lat” – powiedział współautor badania, Parameswaran Ajith. Ponadto te przyszłe detektory powinny być w stanie zajrzeć dalej w przestrzeń kosmiczną i wykryć słabsze sygnały.

Autorzy spodziewają się, że te zaawansowane detektory rozpoczną poszukiwania łączących się czarnych dziur w następnej dekadzie. Spodziewają się zarejestrować sygnały z kilku milionów par czarnych dziur, małej frakcji (około 10 000), która pojawi się wiele razy w tym samym detektorze z powodu soczewkowania grawitacyjnego. Rozkład opóźnień między tymi powtarzalnymi cechami koduje tempo ekspansji Hubble’a.

Według głównego autora Sofika Jana, w przeciwieństwie do innych metod pomiarowych, metoda ta nie polega na znajomości dokładnych lokalizacji ani odległości tych podwójnych czarnych dziur. Jedynym warunkiem jest dokładna identyfikacja odpowiednio dużej liczby tych sygnałów soczewkowych. Naukowcy dodają, że obserwacje soczewkowania fal grawitacyjnych mogą dostarczyć wskazówek dotyczących innych kosmologicznych pytań, takich jak natura niewidzialnej ciemnej materii, która stanowi znaczną część energii zawartej we wszechświecie.