science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Zwaartekrachtgolven meten het heelal

NGC4993, het sterrenstelsel dat de zwaartekrachtgolfgebeurtenis GW170817 herbergt die is gebruikt om de leeftijd van het universum te meten. De bron van de gebeurtenis is de rode stip linksboven in het centrum van de melkweg; het was er niet in eerdere afbeeldingen. Krediet:NASA en ESA

De directe detectie van zwaartekrachtsgolven van ten minste vijf bronnen in de afgelopen twee jaar biedt een spectaculaire bevestiging van Einsteins model van zwaartekracht en ruimte-tijd. Modellering van deze gebeurtenissen heeft ook informatie opgeleverd over de vorming van massieve sterren, gammaflitsen, neutronenster kenmerken, en (voor de eerste keer) verificatie van theoretische ideeën over hoe de zeer zware elementen, zoals goud, zijn geproduceerd.

Astronomen hebben nu een enkele zwaartekrachtgolfgebeurtenis (GW170817) gebruikt om de leeftijd van het heelal te meten. CfA-astronomen Peter Blanchard, Tarreneh Eftekhari, Victoria Villar, en Peter Williams waren lid van een team van 1314 wetenschappers van over de hele wereld die hebben bijgedragen aan de detectie van zwaartekrachtsgolven van een samensmeltend paar binaire neutronensterren, gevolgd door de detectie van gammastraling, en vervolgens de identificatie van de oorsprong van de ramp in een bron in het sterrenstelsel NGC4993, gespot in beelden die met verschillende vertragingen zijn genomen op golflengten van de röntgenstraling tot de radio.

Een analyse van de zwaartekrachtsgolven van deze gebeurtenis leidt hun intrinsieke kracht af. De waargenomen sterkte is minder, wat impliceert (omdat de sterkte afneemt met de afstand tot de bron) dat de bron ongeveer 140 miljoen lichtjaar verwijderd is. NGC4993, zijn gastmelkweg, heeft een buitenwaartse snelheid vanwege de uitdijing van het heelal die kan worden gemeten aan de hand van zijn spectraallijnen. Door te weten hoe ver weg het is en hoe snel het melkwegstelsel van ons af beweegt, kunnen wetenschappers de tijd berekenen sinds de uitdijing begon - de leeftijd van het universum:tussen ongeveer 11,9 en 15,7 miljard jaar gezien de experimentele onzekerheden.

De leeftijd die is afgeleid van deze enkele gebeurtenis komt overeen met schattingen van tientallen jaren waarnemingen die zijn gebaseerd op statistische methoden met behulp van twee andere bronnen:de kosmische achtergrondstraling (CMBR) en de bewegingen van sterrenstelsels. De eerste is gebaseerd op het in kaart brengen van de zeer zwakke verspreiding van licht uit een tijd ongeveer vierhonderdduizend jaar na de oerknal; de laatste omvat een statistische analyse van de afstanden en bewegingen van tienduizenden sterrenstelsels in relatief recente tijden. Het feit dat deze ene zwaartekrachtgolfgebeurtenis in staat was om een ​​leeftijd voor het universum te bepalen, is opmerkelijk, en niet mogelijk bij elke detectie van zwaartekrachtgolven. In dit geval was er een optische identificatie van de bron (zodat een snelheid kon worden gemeten) en was de bron niet te ver of te zwak. Met een grote statistische steekproef van alle soorten zwaartekrachtgolfgebeurtenissen, het huidige bereik van waarden voor de leeftijd wordt kleiner.

Het nieuwe resultaat is om een ​​andere reden intrigerend. Hoewel zowel de CMBR- als de melkwegmetingen elk vrij nauwkeurig zijn, ze lijken het met elkaar oneens te zijn op ongeveer het niveau van tien procent. Deze onenigheid kan gewoon een waarnemingsfout zijn, maar sommige astronomen vermoeden dat het een echt verschil kan zijn als gevolg van iets dat momenteel ontbreekt in ons beeld van het kosmische expansieproces, misschien in verband met het feit dat de CMBR voortkomt uit een heel ander tijdperk van kosmische tijd dan de melkweggegevens. Deze derde methode, zwaartekrachtgolfgebeurtenissen, kan helpen bij het oplossen van de puzzel.