Sinds het 13,8 miljard jaar geleden voor het eerst explodeerde, het heelal is aan het uitdijen, honderden miljarden sterrenstelsels en sterren met zich meeslepend, net als rozijnen in een snel rijzend deeg.

Astronomen hebben telescopen op bepaalde sterren en andere kosmische bronnen gericht om hun afstand tot de aarde te meten en hoe snel ze van ons weg bewegen - twee parameters die essentieel zijn voor het schatten van de Hubble-constante, een maateenheid die de snelheid beschrijft waarmee het heelal uitdijt.

Maar tot op heden de meest precieze inspanningen zijn geland op zeer verschillende waarden van de Hubble-constante, biedt geen definitieve oplossing voor hoe snel het universum precies groeit. Deze informatie, wetenschappers geloven, licht kan werpen op de oorsprong van het universum, evenals zijn lot, en of de kosmos voor onbepaalde tijd zal uitbreiden of uiteindelijk zal instorten.

Nu hebben wetenschappers van MIT en Harvard University een meer nauwkeurige en onafhankelijke manier voorgesteld om de Hubble-constante te meten, met behulp van zwaartekrachtsgolven uitgezonden door een relatief zeldzaam systeem:een zwart gat-neutronenster dubbelster, een enorm energetische koppeling van een spiraalvormig zwart gat en een neutronenster. Terwijl deze objecten naar elkaar toe cirkelen, ze zouden ruimteschokkende zwaartekrachtsgolven en een lichtflits moeten produceren wanneer ze uiteindelijk botsen.

In een paper dat op 12 juli verschijnt in Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers melden dat de lichtflits wetenschappers een schatting zou geven van de snelheid van het systeem, of hoe snel het zich van de aarde verwijdert. De uitgezonden zwaartekrachtsgolven, als het op aarde wordt gedetecteerd, moet een onafhankelijke en nauwkeurige meting van de afstand van het systeem opleveren. Hoewel dubbelsterren van zwarte gaten en neutronensterren ongelooflijk zeldzaam zijn, de onderzoekers berekenen dat het detecteren van zelfs maar een paar de meest nauwkeurige waarde tot nu toe zou moeten opleveren voor de Hubble-constante en de snelheid van het uitdijende heelal.

"Zwart gat-neutronenster binaries zijn zeer gecompliceerde systemen, waar we heel weinig van weten, " zegt Salvatore Vitale, assistent-professor natuurkunde aan het MIT en hoofdauteur van het artikel. "Als we er een ontdekken, de prijs is dat ze mogelijk een dramatische bijdrage kunnen leveren aan ons begrip van het universum."

Vitale's co-auteur is Hsin-Yu Chen van Harvard.

Concurrerende constanten

Er zijn onlangs twee onafhankelijke metingen van de Hubble-constante gedaan, een met behulp van NASA's Hubble Space Telescope en een andere met behulp van de Planck-satelliet van de European Space Agency. De meting van de Hubble-ruimtetelescoop is gebaseerd op waarnemingen van een type ster die bekend staat als een Cepheïde-variabele, evenals op waarnemingen van supernova's. Beide objecten worden beschouwd als "standaardkaarsen, " vanwege hun voorspelbare helderheidspatroon, die wetenschappers kunnen gebruiken om de afstand en snelheid van de ster te schatten.

Het andere type schatting is gebaseerd op waarnemingen van de fluctuaties in de kosmische microgolfachtergrond - de elektromagnetische straling die overbleef in de onmiddellijke nasleep van de oerknal, toen het heelal nog in de kinderschoenen stond. Hoewel de waarnemingen van beide sondes uiterst nauwkeurig zijn, hun schattingen van de Hubble-constante zijn het aanzienlijk oneens.

"Dat is waar LIGO in het spel komt, ' zegt Vital.

LIGO, of de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, detecteert zwaartekrachtsgolven - rimpelingen in de Jell-O van ruimte-tijd, veroorzaakt door catastrofale astrofysische verschijnselen.

"Zwaartekrachtgolven bieden een zeer directe en gemakkelijke manier om de afstanden van hun bronnen te meten, Vitale zegt. "Wat we detecteren met LIGO is een directe afdruk van de afstand tot de bron, zonder enige extra analyse."

in 2017, wetenschappers kregen hun eerste kans om de Hubble-constante te schatten vanuit een zwaartekrachtgolfbron, toen LIGO en zijn Italiaanse tegenhanger Virgo voor het eerst een paar botsende neutronensterren ontdekten. Bij de botsing kwamen een enorme hoeveelheid zwaartekrachtsgolven vrij, die onderzoekers hebben gemeten om de afstand van het systeem tot de aarde te bepalen. De fusie bracht ook een lichtflits vrij, waarop astronomen zich concentreerden met grond- en ruimtetelescopen om de snelheid van het systeem te bepalen.

Met beide metingen wetenschappers berekenden een nieuwe waarde voor de Hubble-constante. Echter, de schatting kwam met een relatief grote onzekerheid van 14 procent, veel onzekerder dan de waarden berekend met behulp van de Hubble Space Telescope en de Planck-satelliet.

Vitale zegt dat veel van de onzekerheid voortkomt uit het feit dat het een uitdaging kan zijn om de afstand van een neutronenster tot de aarde te interpreteren met behulp van de zwaartekrachtsgolven die dit specifieke systeem afgeeft.

"We meten afstand door te kijken hoe 'luid' de zwaartekrachtgolf is, wat betekent hoe duidelijk het is in onze gegevens, " zegt Vitale. "Als het heel duidelijk is, je kunt zien hoe luid het is, en dat geeft de afstand. Maar dat geldt slechts gedeeltelijk voor dubbelsterren van neutronensterren."

Dat komt omdat deze systemen, die een wervelende schijf van energie creëren terwijl twee neutronensterren naar elkaar toe draaien, zwaartekrachtgolven op een ongelijke manier uitzenden. De meeste zwaartekrachtsgolven schieten recht uit het midden van de schijf, terwijl een veel kleinere fractie uit de randen ontsnapt. Als wetenschappers een "luid" zwaartekrachtgolfsignaal detecteren, het kan een van de twee scenario's aangeven:de gedetecteerde golven kwamen van de rand van een systeem dat heel dicht bij de aarde staat, of de golven kwamen uit het centrum van een veel verder systeem.

"Met dubbelsterren van neutronensterren, het is erg moeilijk om onderscheid te maken tussen deze twee situaties, ' zegt Vital.

Een nieuwe golf

In 2014, voordat LIGO de eerste detectie van zwaartekrachtsgolven deed, Vitale en zijn collega's merkten op dat een binair systeem bestaande uit een zwart gat en een neutronenster een nauwkeurigere afstandsmeting zou kunnen geven, vergeleken met dubbelsterren van neutronensterren. Het team onderzocht hoe nauwkeurig men de spin van een zwart gat kon meten. aangezien bekend is dat de objecten om hun as draaien, vergelijkbaar met de aarde, maar veel sneller.

De onderzoekers simuleerden verschillende systemen met zwarte gaten, inclusief zwart gat-neutronenster binaries en neutronenster binaries. Als bijproduct van deze inspanning, het team merkte op dat ze in staat waren om de afstand van zwart gat-neutronenster binaries nauwkeuriger te bepalen, vergeleken met dubbelsterren van neutronensterren. Vitale zegt dat dit komt door de spin van het zwarte gat rond de neutronenster, wat wetenschappers kan helpen beter te bepalen waar in het systeem de zwaartekrachtsgolven vandaan komen.

"Door deze betere afstandsmeting, Ik dacht dat dubbelsterren van zwarte gaten en neutronensterren een competitieve sonde zouden kunnen zijn voor het meten van de Hubble-constante. " zegt Vitale. "Sindsdien, er is veel gebeurd met LIGO en de ontdekking van zwaartekrachtsgolven, en dit alles werd op een laag pitje gezet."

Vitale keerde onlangs terug naar zijn oorspronkelijke observatie, en in deze nieuwe krant, hij wilde een theoretische vraag beantwoorden:

"Is het feit dat elke dubbelster van een zwart gat en een neutronenster me een betere afstand geeft om te compenseren voor het feit dat mogelijk, er zijn er veel minder in het heelal dan dubbelsterren van neutronensterren?", zegt Vitale.

Om deze vraag te beantwoorden, het team voerde simulaties uit om het voorkomen van beide soorten binaire systemen in het universum te voorspellen, evenals de nauwkeurigheid van hun afstandsmetingen. Uit hun berekeningen zij concludeerden dat, zelfs als neutronenbinaire systemen 50-1 in aantal groter waren dan zwart gat-neutronenstersystemen, de laatste zou een Hubble-constante opleveren die qua nauwkeurigheid vergelijkbaar is met de eerste.

optimistischer, als dubbelsterren van zwarte gaten en neutronensterren iets vaker voorkwamen, maar nog steeds zeldzamer dan dubbelsterren van neutronensterren, de eerste zou een Hubble-constante produceren die vier keer zo nauwkeurig is.

"Tot dusver, mensen hebben zich gericht op binaire neutronensterren als een manier om de Hubble-constante te meten met zwaartekrachtgolven, Vitale zegt. "We hebben laten zien dat er een ander type zwaartekrachtgolfbron is die tot nu toe niet zoveel is benut:zwarte gaten en neutronensterren die samen spiralen, Vitale zegt. "LIGO gaat in januari 2019 weer data verzamelen, en het zal veel gevoeliger zijn, wat betekent dat we objecten verder weg kunnen zien. Dus LIGO zou ten minste één zwart gat-neutronenster dubbelster moeten zien, en maar liefst 25, die zal helpen bij het oplossen van de bestaande spanning in de meting van de Hubble-constante, hopelijk in de komende jaren."