Twintig jaar geleden, wetenschappers waren geschokt toen ze beseften dat ons universum niet alleen uitdijt, maar dat het in de loop van de tijd sneller uitbreidt.

De exacte expansiesnelheid vaststellen, de Hubble-constante genoemd naar de beroemde astronoom en UChicago-alumnus Edwin Hubble, verrassend moeilijk is geweest. Sindsdien hebben wetenschappers twee methoden gebruikt om de waarde te berekenen, en ze spugen verontrustend verschillende resultaten uit. Maar de verrassende opname vorig jaar van zwaartekrachtsgolven die werden uitgestraald door een botsing tussen neutronensterren, bood een derde manier om de Hubble-constante te berekenen.

Dat was slechts een enkel datapunt van één botsing, maar in een nieuw artikel gepubliceerd op 17 oktober in Natuur , drie wetenschappers van de Universiteit van Chicago schatten dat, gegeven hoe snel onderzoekers de eerste neutronensterbotsing zagen, ze zouden binnen vijf tot tien jaar een zeer nauwkeurige meting van de Hubble-constante kunnen hebben.

"De Hubble-constante vertelt je de grootte en de leeftijd van het universum; het is een heilige graal sinds de geboorte van de kosmologie. Door dit te berekenen met zwaartekrachtsgolven zouden we een geheel nieuw perspectief op het universum kunnen geven, " zei studie auteur Daniel Holz, een UChicago-professor in de natuurkunde die co-auteur was van de eerste dergelijke berekening van de ontdekking van 2017. "De vraag is:wanneer wordt het baanbrekend voor de kosmologie?"

1929, Edwin Hubble kondigde aan dat op basis van zijn waarnemingen van sterrenstelsels buiten de Melkweg, ze leken van ons weg te gaan - en hoe verder weg de melkweg, hoe sneller het achteruitging. Dit is een hoeksteen van de oerknaltheorie, en het was het begin van een bijna honderd jaar durende zoektocht naar de exacte snelheid waarmee dit gebeurt.

Om de snelheid te berekenen waarmee het heelal uitdijt, wetenschappers hebben twee getallen nodig. Een daarvan is de afstand tot een ver object; de andere is hoe snel het object van ons af beweegt vanwege de uitdijing van het universum. Als je het met een telescoop kunt zien, de tweede hoeveelheid is relatief eenvoudig te bepalen, omdat het licht dat je ziet als je naar een verre ster kijkt, naar het rood wordt verschoven als het zich terugtrekt. Astronomen gebruiken die truc al meer dan een eeuw om te zien hoe snel een object beweegt - het is als het Doppler-effect, waarin een sirene van toon verandert als een ambulance passeert.

'Grote vragen bij rekenen'

Maar een exacte meting van de afstand krijgen is veel moeilijker. traditioneel, astrofysici hebben een techniek gebruikt die de kosmische afstandsladder wordt genoemd, waarin de helderheid van bepaalde veranderlijke sterren en supernova's kan worden gebruikt om een ​​reeks vergelijkingen op te bouwen die het object in kwestie raken. "Het probleem is, als je onder het oppervlak krabt, er zijn veel stappen met veel aannames onderweg, ' zei Holz.

Misschien zijn de supernova's die als markeringen worden gebruikt niet zo consistent als gedacht. Misschien verwarren we sommige soorten supernova's met andere, of er is een onbekende fout in onze meting van afstanden tot nabije sterren. "Er is daar veel gecompliceerde astrofysica die op een aantal manieren metingen kan verstoren, " hij zei.

De andere belangrijke manier om de Hubble-constante te berekenen, is door naar de kosmische microgolfachtergrond te kijken - de lichtpuls die aan het begin van het universum is gecreëerd, die nog steeds vaag waarneembaar is. Hoewel ook handig, deze methode is ook gebaseerd op aannames over hoe het universum werkt.

Het verrassende is dat hoewel wetenschappers die elke berekening uitvoeren vertrouwen hebben in hun resultaten, ze komen niet overeen. De een zegt dat het heelal bijna 10 procent sneller uitdijt dan de ander. "Dit is momenteel een belangrijke vraag in de kosmologie, " zei de eerste auteur van de studie, Hsin-Yu Chen, toen een afgestudeerde student aan UChicago en nu een fellow bij het Black Hole Initiative van Harvard University.

Toen namen de LIGO-detectoren hun eerste rimpeling op in het weefsel van de ruimte-tijd van de botsing van twee sterren vorig jaar. Dit schokte niet alleen het observatorium, maar het veld van de astronomie zelf:de mogelijkheid om zowel de zwaartekrachtsgolf te voelen als het licht van de nasleep van de botsing met een telescoop te zien, gaf wetenschappers een krachtig nieuw hulpmiddel. "Het was een soort verlegenheid van rijkdom, ' zei Holz.

Zwaartekrachtgolven bieden een heel andere manier om de Hubble-constante te berekenen. Als twee massieve sterren op elkaar botsen, ze zenden rimpelingen uit in het weefsel van ruimte-tijd die op aarde kunnen worden gedetecteerd. Door dat signaal te meten, wetenschappers kunnen een handtekening krijgen van de massa en energie van de botsende sterren. Als ze deze lezing vergelijken met de sterkte van de zwaartekrachtsgolven, ze kunnen afleiden hoe ver het is.

Deze meting is schoner en bevat minder aannames over het heelal, wat het nauwkeuriger zou moeten maken, zei Holz. Samen met Scott Hughes van het MIT, hij suggereerde het idee om deze meting te doen met zwaartekrachtsgolven in combinatie met telescoopmetingen in 2005. De enige vraag is hoe vaak wetenschappers deze gebeurtenissen konden opvangen, en hoe goed de gegevens van hen zouden zijn.

'Het wordt alleen maar interessanter'

Het artikel voorspelt dat zodra wetenschappers 25 metingen van botsingen met neutronensterren hebben gedetecteerd, ze meten de uitdijing van het heelal met een nauwkeurigheid van 3 procent. Met 200 metingen, dat aantal versmalt tot 1 procent.

"Het was nogal een verrassing voor mij toen we in de simulaties kwamen, "Zei Chen. "Het was duidelijk dat we precisie konden bereiken, en we konden het snel bereiken."

Een precies nieuw getal voor de Hubble-constante zou fascinerend zijn, ongeacht het antwoord, zeiden de wetenschappers. Bijvoorbeeld, een mogelijke reden voor de mismatch in de andere twee methoden is dat de aard van de zwaartekracht zelf in de loop van de tijd kan zijn veranderd. De lezing zou ook licht kunnen werpen op donkere energie, een mysterieuze kracht die verantwoordelijk is voor de uitdijing van het universum.

"Met de botsing die we vorig jaar zagen, we hadden geluk - het was dicht bij ons, dus het was relatief eenvoudig te vinden en te analyseren, " zei Maya Fishbach, een afgestudeerde student van UChicago en de andere auteur op het papier. "Toekomstige detecties zullen veel verder weg zijn, maar zodra we de volgende generatie telescopen hebben, we zouden ook in staat moeten zijn om tegenhangers te vinden voor deze detecties op afstand."

Het is de bedoeling dat de LIGO-detectoren in februari 2019 met een nieuwe waarnemingsrun beginnen, vergezeld door hun Italiaanse tegenhangers bij VIRGO. Dankzij een upgrade de gevoeligheden van de detectoren zullen veel hoger zijn, waardoor het aantal en de afstand van astronomische gebeurtenissen die ze kunnen opvangen, toenemen.

"Vanaf hier wordt het alleen maar interessanter, ' zei Holz.