Astronomie met zwaartekrachtgolven biedt een unieke nieuwe manier om de expansiegeschiedenis van het heelal te bestuderen. Op 17 augustus 2017, de LIGO- en Virgo-samenwerkingen ontdekten voor het eerst zwaartekrachtsgolven van een paar neutronentrappen die samensmolten. Het zwaartekrachtsgolfsignaal ging vergezeld van een reeks tegenhangers die werden geïdentificeerd met elektromagnetische telescopen.

Dankzij deze multi-messenger-ontdekking konden astronomen de Hubble-constante rechtstreeks meten - een meeteenheid die ons vertelt hoe snel het heelal uitdijt. Een recent onderzoek door het ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) onder leiding van onderzoekers Zhiqiang You en Xingjiang Zhu (Monash University), bestudeerde een alternatieve manier om kosmologie te doen met waarnemingen van zwaartekrachtgolven.

In vergelijking met neutronensterfusies, fusies van zwarte gaten zijn veel overvloediger bronnen van zwaartekrachtsgolven. Terwijl er tot nu toe slechts twee neutronensterfusies zijn gedetecteerd, LIGO en Virgo-samenwerkingen hebben 10 binaire fusie-evenementen voor zwarte gaten gepubliceerd en er zijn nog tientallen andere kandidaten gemeld.

Helaas, er wordt geen elektromagnetische emissie verwacht van samensmeltingen van zwarte gaten. Theoretische modellering van supernova's - krachtige en lichtgevende stellaire explosies - suggereert dat er een gat is in de massa's van zwarte gaten van ongeveer 45-60 keer de massa van onze zon. Enig niet-overtuigend bewijs dat deze massale kloof ondersteunt, werd gevonden in waarnemingen die werden gedaan in de eerste twee waarnemingsruns van LIGO en Virgo. Het nieuwe OzGrav-onderzoek toont aan dat deze unieke eigenschap in het massaspectrum van zwarte gaten kan helpen bij het bepalen van de expansiegeschiedenis van ons heelal met alleen zwaartekrachtsgolfgegevens.

OzGrav Ph.D. student en eerste auteur Zhiqiang You zegt:"Ons werk bestudeerde het vooruitzicht met zwaartekrachtgolfdetectoren van de derde generatie, waardoor we elke fusie van binaire zwarte gaten in het heelal kunnen zien."

Afgezien van de Hubble-constante, er zijn andere factoren die van invloed kunnen zijn op hoe de massa's van zwarte gaten worden verdeeld. Bijvoorbeeld, wetenschappers zijn nog steeds onzeker over de exacte locatie van de massakloof van zwarte gaten en hoe het aantal samensmeltingen van zwarte gaten in de loop van de kosmische geschiedenis evolueert.

De nieuwe studie toont aan dat het mogelijk is om gelijktijdig met de Hubble-constante massa's van zwarte gaten te meten. Het bleek dat een derde generatie detector zoals de Einstein Telescope of de Cosmic Explorer de Hubble-constante binnen een jaar zou moeten meten tot beter dan één procent. Bovendien, met slechts een week observatie, de studie onthulde dat het mogelijk is om de standaard donkere energie-donkere materie kosmologie te onderscheiden met zijn eenvoudige alternatieven.