Op de ochtend van 17 augustus 2017, na meer dan honderd miljoen jaar te hebben gereisd, de naschokken van een enorme botsing in een sterrenstelsel ver, ver weg eindelijk de aarde bereikt.

Deze rimpelingen in het weefsel van ruimtetijd, zwaartekrachtgolven genoemd, alarmen afgegaan bij twee ultragevoelige detectoren genaamd LIGO, het verzenden van teksten vliegen en wetenschappers klauteren. Een van de wetenschappers was prof. Daniel Holz van de Universiteit van Chicago. De ontdekking had hem de informatie opgeleverd die hij nodig had om een ​​baanbrekende nieuwe meting te doen van een van de belangrijkste getallen in de astrofysica:de Hubble-constante, dat is de snelheid waarmee het heelal uitdijt.

De Hubble-constante bevat de antwoorden op grote vragen over het universum, zoals zijn grootte, leeftijd en geschiedenis, maar de twee belangrijkste manieren om de waarde ervan te bepalen, hebben aanzienlijk verschillende resultaten opgeleverd. Nu was er een derde weg, die een van de meest prangende vragen in de astronomie zou kunnen oplossen - of het zou de sluipende verdenking kunnen versterken, gehouden door velen in het veld, dat er iets wezenlijks ontbreekt in ons model van het universum.

"In een oogwenk, we hadden een gloednieuwe, volledig onafhankelijke manier om een ​​meting te maken van een van de meest diepgaande grootheden in de natuurkunde, "zei Holz. "Die dag zal ik me mijn hele leven herinneren."

Als LIGO op 1 april terugkeert Holz en andere wetenschappers bereiden zich voor op meer gegevens die licht kunnen werpen op enkele van de grootste vragen van het universum.

Universele vragen

We weten al heel lang dat het heelal uitdijt (sinds de eminente astronoom en UChicago-aluin Edwin Hubble de eerste meting van de uitdijing deed in 1929, in feite), maar in 1998, wetenschappers waren stomverbaasd toen ze ontdekten dat de uitdijingssnelheid niet vertraagt ​​naarmate het universum ouder wordt, maar in de loop van de tijd versnellen. In de volgende decennia, terwijl ze probeerden de snelheid precies te bepalen, blijkt dat verschillende methoden voor het meten van het tarief verschillende antwoorden opleveren.

Een van de twee methoden meet de helderheid van supernovae – exploderende sterren – in verre sterrenstelsels; de andere kijkt naar kleine fluctuaties in de kosmische microgolfachtergrond, het zwakke licht dat overblijft na de oerknal. Wetenschappers werken al twee decennia om de nauwkeurigheid en precisie voor elke meting te vergroten, en om eventuele effecten uit te sluiten die de resultaten in gevaar kunnen brengen; maar de twee waarden zijn het nog steeds hardnekkig met bijna 10 procent oneens.

Omdat de supernovamethode kijkt naar relatief nabije objecten, en de kosmische microgolfachtergrond is veel ouder, het is mogelijk dat beide methoden juist zijn - en dat er iets ingrijpends aan het universum is veranderd sinds het begin der tijden.

"We weten niet of een of beide andere methoden een soort systematische fout hebben, of als ze daadwerkelijk een fundamentele waarheid over het universum weerspiegelen die in onze huidige modellen ontbreekt, "zei Holz. "Het is allebei mogelijk."

Holz zag de mogelijkheid voor een derde, volledig onafhankelijke manier om de Hubble-constante te meten, maar het zou afhangen van een combinatie van geluk en extreme technische hoogstandjes.

De 'standaard sirene'

In 2005, Holz schreef een artikel met Scott Hughes van het Massachusetts Institute of Technology, waarin hij suggereerde dat het mogelijk zou zijn om de Hubble-constante te berekenen door een combinatie van zwaartekrachtsgolven en licht. Ze noemden deze bronnen "standaardsirenes, " een knipoog naar "standaard kaarsen", die verwijst naar de supernova's die werden gebruikt om de Hubble-constante meting te maken.

Maar eerst zou het jaren duren om technologie te ontwikkelen die zoiets kortstondigs als rimpelingen in het weefsel van ruimtetijd zou kunnen oppikken. Dat is LIGO:een set van enorme, extreem gevoelige detectoren die zijn afgestemd om de zwaartekrachtsgolven op te vangen die worden uitgezonden wanneer er ergens in het universum iets groots gebeurt.

De 17 augustus De golven van 2017 kwamen van twee extreem zware neutronensterren, die in een ver sterrenstelsel om en om elkaar heen waren gedraaid voordat ze uiteindelijk met bijna de lichtsnelheid dichtsloegen. De botsing zond zwaartekrachtsgolven door het heelal en veroorzaakte ook een uitbarsting van licht, die werd opgepikt door telescopen op en rond de aarde.

Die uitbarsting van licht was wat de wetenschappelijke wereld in verwarring bracht. LIGO had eerder zwaartekrachtsgolfmetingen opgepikt, maar alle voorgaande waren afkomstig van botsingen van twee zwarte gaten, die met conventionele telescopen niet te zien zijn.

Maar ze konden het licht van de botsende neutronensterren zien, en de combinatie van golven en licht ontsloten een schat aan wetenschappelijke rijkdommen. Onder hen waren de twee stukjes informatie die Holz nodig had om zijn berekening van de Hubble-constante te maken.

Hoe werkt de methode?

Om deze meting van de Hubble-constante te maken (vernoemd naar baanbrekende wetenschapper en UChicago-aluin Edwin Hubble), je moet weten hoe snel een object - zoals een pas in botsing gekomen paar neutronensterren - zich van de aarde verwijdert, en hoe ver het was om mee te beginnen. De vergelijking is verrassend eenvoudig. Het ziet er als volgt uit:De Hubble-constante is de snelheid van het object gedeeld door de afstand tot het object, of H=v/d.

Enigszins contra-intuïtief, het gemakkelijkste deel om te berekenen is hoe snel het object beweegt. Dankzij de felle gloed van de botsing, astronomen konden telescopen naar de hemel richten en de melkweg lokaliseren waar de neutronensterren botsten. Dan kunnen ze profiteren van een fenomeen dat roodverschuiving wordt genoemd:als een object ver weg van ons af beweegt, de kleur van het licht dat het afgeeft, verschuift iets naar het rode einde van het spectrum. Door de kleur van het licht van de melkweg te meten, ze kunnen deze roodheid gebruiken om in te schatten hoe snel de melkweg van ons weg beweegt. Dit is een eeuwenoude truc voor astronomen.

Het moeilijkere deel is het verkrijgen van een nauwkeurige meting van de afstand tot het object. Dit is waar zwaartekrachtgolven binnenkomen. Het signaal dat de LIGO-detectoren oppikken, wordt geïnterpreteerd als een curve, zoals dit:

De vorm van het signaal vertelt wetenschappers hoe groot de twee sterren waren en hoeveel energie de botsing afgaf. Door dat te vergelijken met hoe sterk de golven waren toen ze de aarde bereikten, ze konden afleiden hoe ver de sterren verwijderd moeten zijn geweest.

De initiële waarde van alleen deze ene standaard sirene kwam uit op 70 kilometer per seconde per megaparsec. Dat zit precies tussen de andere twee methoden in, die ongeveer 73 (van de supernova-methode) en 67 (van de kosmische microgolfachtergrond) vinden.

Natuurlijk, dat is slechts een enkel gegevenspunt. Maar de LIGO-detectoren gaan weer aan na een upgrade om hun gevoeligheid te vergroten. Hoewel niemand precies weet hoe vaak neutronensterren botsen, Holz was co-auteur van een paper waarin hij schat dat de zwaartekrachtsgolfmethode een revolutionair, uiterst nauwkeurige meting van de Hubble-constante binnen vijf jaar.

"Na verloop van tijd, we zullen meer en meer van deze fusies van binaire neutronensterren waarnemen, en gebruik ze als standaard sirenes om onze schatting van de Hubble-constante gestaag te verbeteren. Afhankelijk van waar onze waarde daalt, we kunnen de ene of de andere methode bevestigen. Of misschien vinden we een heel andere waarde, ' zei Holz. 'Wat we ook vinden, het wordt interessant - en het zal een belangrijke stap zijn om meer over ons universum te leren."