De geschiedenis van de wetenschap staat bol van de verhalen van enthousiaste onderzoekers die langzaam sceptische collega's voor hun standpunt wisten te winnen. Astrofysicus Scott Hughes kan zich in deze verhalen vinden.

"De eerste 15 of 16 jaar van mijn carrière sprak ik met astronomen, en ik had altijd de indruk dat ze beleefd geïnteresseerd waren in wat ik te zeggen had, maar beschouwde me als een beetje een liefhebber met wilde ogen die hen vertelde over een kudde eenhoorns die mijn vrienden en ik aan het grootbrengen waren, ' zei Hughes.

"Nutsvoorzieningen, " hij ging verder, "Er zijn mensen die gaan, 'O, al die eenhoorns die je vond, kan ik ze gebruiken om mijn probleem op te lossen? Hebben jouw eenhoorns vleugels? Zijn ze sprankelend?'"

Deze eenhoorns zijn zwaartekrachtgolven, een gebied van natuurkunde waarin Hughes is gespecialiseerd. Tijdens hun werk als postdoctoraal onderzoekers aan het Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) van UC Santa Barbara, Hughes en zijn collega, Daniël Holz, waren een van de eersten die voorstelden om de verschijnselen te gebruiken, in combinatie met op telescoop gebaseerde waarnemingen, om de Hubble-constante te meten, een fundamentele grootheid die betrokken is bij het beschrijven van de uitdijing van het heelal.

Naarmate het universum uitdijt, het draagt ​​hemellichamen van ons weg. Dit strekt zich uit over de golflengte van het licht dat we van deze objecten detecteren, waardoor het in frequentie daalt, net als een sirene op een passerende ambulance. Hoe sneller het object terugwijkt, hoe meer het licht zal verschuiven naar het rode einde van het spectrum. De Hubble-constante relateert de afstand van een object tot de aarde aan deze roodverschuiving, en dus de snelheid van het object terwijl het wordt meegevoerd.

Een van de beste hulpmiddelen van een astronoom om dit te berekenen, is een standaardkaars, elke klasse van objecten die altijd hetzelfde hebben, standaard helderheid. Als wetenschappers de helderheid van een object kennen, ze kunnen de afstand bepalen door te meten hoe zwak het voor ons op aarde lijkt.

Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd nauwkeurige metingen van de Hubble-constante te krijgen om te onderzoeken waarom het universum uitdijt, en, in feite, versnellen. Dit komt uiteindelijk neer op het meten van de roodverschuivingen van objecten en deze matchen met onafhankelijke metingen van de afstanden van de objecten tot ons. Echter, deze twee meest nauwkeurige metingen die wetenschappers momenteel hebben voor de Hubble-constante zijn het niet eens - een eindeloze bron van frustratie voor kosmologen.

Een voorstel

Dit was het kosmologische landschap in de vroege jaren 2000, toen Holz en Hughes postdoctorale onderzoekers bij KITP waren. "Scott dacht al een tijdje aan zwaartekrachtsgolven, "zei Holz. "Hij was de expert, en ik was veel meer gefocust op kosmologische vragen." Maar Hughes' enthousiasme wekte al snel Holz' nieuwsgierigheid, en de twee begonnen te praten over de kosmologie van zwaartekrachtgolven op kantoor en tijdens wandelingen langs de kliffen van Santa Barbara.

Holz en Hughes danken hun nauwe samenwerking aan de bouw van de nieuwe vleugel van Kohn Hall in 2001. Aanvankelijk alle postdocs bij KITP hadden hun eigen kantoor, legde Hughes uit, maar de constructie dwong hen om te verdubbelen. "Opeens brachten we veel meer tijd met elkaar door."

Een KITP-programma uit 2002 over kosmologische gegevens wakkerde het vuur van hun interesse in het onderwerp aan. Tegen de tijd dat Hughes vertrok om zich aan te sluiten bij de faculteit van MIT, ze waren klaar met de eerste versie van hun paper waarin werd beschreven hoe de Hubble-constante met zwaartekrachtsgolven moest worden berekend. Na twee jaar zwangerschap publiceerden ze eindelijk de studie in The Astrofysisch tijdschrift .

"Ik heb een geweldige tijd gehad met het schrijven van die paper met Scott, " zei Holz. "Ik heb ongelooflijk veel geleerd. Zozeer dat ik ervan overtuigd was dat zwaartekrachtsgolven de toekomst waren, en dat ik mee moet doen."

Het idee om zwaartekrachtsgolfbronnen te gebruiken om de Hubble-constante te meten was niet nieuw. Het concept werd voor het eerst voorgesteld in een visionair document in 1986 door Bernard Schutz. En in het begin van de jaren 2000 dobberden er ook een aantal andere noties over zwaartekrachtsgolven rond in de literatuur. Maar wat Holz en Hughes deden, was al deze ideeën synthetiseren en de haalbaarheid benadrukken van het combineren van gegevens van zwaartekrachtsgolven met vervolgwaarnemingen met behulp van licht.

De studie was ook de eerste die de term 'standaardsirene' gebruikte. Hughes herinnerde zich dat hij het artikel had besproken met Caltech-astrofysicus Sterl Phinney, die opmerkte, "Hmm. Een beetje zoals een standaard kaars, maar je hoort het. Je zou het een standaardsirene moeten noemen." Holz had onafhankelijk een bijna identiek gesprek met natuurkundige Sean Carroll, zelf een voormalig KITP-postdoc. Holz en Hughes namen de term op in hun paper, en het bleef hangen. De uitdrukking is sindsdien alomtegenwoordig geworden in de kosmologie.

"De term 'standaardsirene' is misschien wel onze meest blijvende bijdrage, Scott, " merkte Holz op. "Ik neem het, ’ lachte Hughes.

Het gebruik van zwaartekrachtgolven om de Hubble-constante te meten heeft veel voordelen ten opzichte van andere methoden. Bepaalde supernova's leveren fatsoenlijke standaardkaarsen, "maar, als een standaard kaars, supernovae worden niet erg goed begrepen, "zei Holz. "Het belangrijkste dat standaardsirenes interessant maakt, is dat ze worden begrepen vanuit de eerste principes, rechtstreeks uit de algemene relativiteitstheorie."

Bij gebruik van standaard kaarsen, wetenschappers moeten de afstanden van bepaalde klassen van objecten kalibreren met behulp van de informatie van andere, effectief overspringen naar een juiste afstandsmeting. Astronomen noemen deze methode een "afstandsladder, en fouten en onzekerheid kunnen op veel punten in de berekeningen binnensluipen.

In tegenstelling tot, zwaartekrachtgolven kunnen een directe meting van de afstand van een object opleveren. "Je schrijft gewoon de vergelijkingen op en lost ze op, en dan ben je klaar, "zei Holz. "We hebben de algemene relativiteitstheorie honderd jaar getest; het werkt echt, en er staat 'hier is hoe ver die bron is.' Er is geen afstandsladder, er is niets van dat gehannes."

Alle vroege artikelen over het meten van de Hubble-constante met behulp van zwaartekrachtgolven waren enigszins speculatief, volgens Holz. Het waren voorstellen voor de verre toekomst. "We hadden nog niet eens zwaartekrachtsgolven ontdekt, veel minder golven van twee neutronensterren, veel minder met een optische tegenhanger, " zei hij. Maar de interesse en het enthousiasme voor de techniek groeide.

Hughes herinnert zich dat collega's naar hem toe kwamen na zijn gesprekken en vroegen naar de waarschijnlijkheid van het observeren van een standaardsirene in het komende decennium. Hij wist niet, maar hij zei wel dat met een beter begrip van de optische tegenhanger, ze zouden een evenement waarschijnlijk kunnen lokaliseren tot binnen 10-20 vierkante graden. "En ik denk dat als je dat hebt, elk stuk groot glas op aarde gaat naar die plek aan de hemel staren, Hughes had gezegd. uiteindelijk, dat is precies wat er is gebeurd."

En toen gebeurde het

Op 17 augustus, 2017, minder dan twee jaar na het detecteren van de eerste zwaartekrachtsgolven, de LIGO- en Virgo-observatoria registreerden een signaal van samensmeltende neutronensterren. Dankzij een waarschuwingssysteem die Holz hielp opzetten, een vlaag van activiteit volgde toen bijna elk groot grond- en ruimteobservatorium hun zinnen op het evenement richtte. Wetenschappers verzamelden gegevens over de fusie in elk gebied van het elektromagnetische spectrum.

"Het is echt een van die dingen waar, als het was gebeurd voordat ik met pensioen ging, Ik zou blij zijn geweest, "zei Hughes. "Maar het gebeurde eigenlijk voordat ik 50 werd."

Plotseling, zwaartekrachtgolfkosmologie was een echt veld, en standaard sirenes waren een ander onderdeel van de toolkit. "Maar dat iets zo snel onderdeel wordt van de toolkit? Dat is buitengewoon ongebruikelijk, ' zei Holz.

Het blijkt dat kosmologen een ander hulpmiddel nodig hebben, omdat ze momenteel twee verschillende waarden hebben voor de Hubble-constante. Methoden die gebruik maken van de kosmische microgolfachtergrond - zwak licht dat overblijft na de oerknal - leveren een waarde op van ongeveer 68. Ondertussen, berekeningen die gebruik maken van Type Ia-supernova's - een verscheidenheid aan standaardkaarsen - leveren iets meer dan 73 op.

Hoewel ze dichtbij lijken, de twee waarden verschillen eigenlijk met drie standaarddeviaties, en beide hebben vrij strakke foutbalken. De onenigheid baart kosmologen steeds meer zorgen, aangezien de foutbalken op deze twee waarden alleen maar strakker worden. Het kan wijzen op een fundamenteel probleem in ons begrip van het universum, en is het onderwerp van een KITP-conferentie in juli.

Er zijn een paar intrinsieke verschillen tussen de twee technieken, Hoewel. De kosmische microgolfachtergrond weerspiegelt de omstandigheden van het vroege heelal, terwijl de supernova's een beeld schetsen van het huidige universum. "Er is een kans dat er iets heel vreemds en onverwachts is gebeurd tussen de vroege en late dagen van het universum, en daarom komen deze waarden niet overeen, " zei Holz. Maar kosmologen weten het gewoon niet zeker.

Een ander krijgen, onafhankelijke waarde voor de Hubble-constante zal dit raadsel helpen ophelderen. "Omdat het zo schoon en zo direct is, die meting zal een zeer overtuigend getal zijn, " legde Holz uit. "Op zijn minst, het zal deze discussie informeren, zo niet gewoon volledig oplossen."

Holz en zijn collega's, Hsin-Yu Chen en Maya Fishbach, hebben zojuist een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature, ontdekken dat 20 tot 30 waarnemingen wetenschappers in staat zouden stellen de Hubble-constante te berekenen met een nauwkeurigheid van 2 procent, strak genoeg om het te vergelijken met de twee waarden van de kosmische microgolfachtergrond en supernova's.

Deze zomer, Holz is mede-organisator van een KITP-programma over het nieuwe tijdperk van zwaartekrachtsgolffysica en astrofysica, en het nieuwe veld van standaard sirene-kosmologie zal een belangrijk onderwerp van discussie zijn. In feite, Holz hielp ook bij het opzetten van het KITP rapid response-programma dat onderzoekers kort na de eerste detectie van zwaartekrachtgolven door LIGO samenbracht.

Holz en Hughes schrijven hun succes toe aan hun ervaringen bij KITP. "Terwijl we samenwerkten aan het KITP, raakten we allebei enthousiast over het meten van de Hubble-constante met behulp van zwaartekrachtsgolven, ", aldus Holz. "En dat is precies waar het KITP over gaat:verschillende mensen met verschillende achtergronden bij elkaar brengen, de pot roeren en kijken wat er gebeurt."

De afgelopen tien jaar heeft Holz' carrière zich gericht op standaard sirene-kosmologie. "En het verbazingwekkende is dat we het echt hebben gedaan, " zei hij. "Ik heb geholpen bij het schrijven van de krant die de eerste standaard sirenemeting ooit deed. Dit was precies wat Scott en ik jaren eerder hadden verondersteld."

"Als we allebei niet bij de KITP waren geweest, zou ik op dit moment geen groot deel van mijn leven aan LIGO-teleconferenties besteden, "zei Holz. "Maar ik zou niet anders willen."