Een team van internationale wetenschappers, geleid door het Galician Institute of High Energy Physics (IGFAE) en het ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), heeft een eenvoudige en nieuwe methode voorgesteld om de nauwkeurigheid van de Hubble-constante-metingen terug te brengen tot 2% met behulp van een enkele waarneming van een paar fuserende neutronensterren.

Het heelal is in voortdurende expansie. Daarom, verre objecten zoals sterrenstelsels bewegen van ons weg. In feite, hoe verder weg ze zijn, hoe sneller ze bewegen. Wetenschappers beschrijven deze uitbreiding door middel van een beroemd getal dat bekend staat als de Hubble-constante, die ons vertelt hoe snel objecten in het universum van ons afwijken, afhankelijk van hun afstand tot ons. Door de Hubble-constante nauwkeurig te meten, we kunnen ook enkele van de meest fundamentele eigenschappen van het universum bepalen, inclusief zijn leeftijd.

Al decenia, wetenschappers hebben Hubble's constante met toenemende nauwkeurigheid gemeten, het verzamelen van elektromagnetische signalen die door het hele universum worden uitgezonden, maar komen tot een uitdagend resultaat:de twee huidige beste metingen geven inconsistente resultaten. sinds 2015 wetenschappers hebben geprobeerd deze uitdaging aan te gaan met de wetenschap van zwaartekrachtsgolven, rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd die reizen met de snelheid van het licht. Zwaartekrachtgolven worden gegenereerd in de meest gewelddadige kosmische gebeurtenissen en zorgen voor een nieuw kanaal van informatie over het universum. Ze worden uitgestoten tijdens de botsing van twee neutronensterren - de dichte kernen van ingestorte sterren - en kunnen wetenschappers helpen dieper in het Hubble-mysterie te graven.

In tegenstelling tot zwarte gaten, samensmeltende neutronensterren produceren zowel zwaartekracht als elektromagnetische golven, zoals röntgenstralen, radiogolven en zichtbaar licht. Terwijl zwaartekrachtgolven de afstand tussen de neutronensterfusie en de aarde kunnen meten, elektromagnetische golven kunnen meten hoe snel het hele melkwegstelsel zich van de aarde verwijdert. Dit creëert een nieuwe manier om de Hubble-constante te meten. Echter, zelfs met behulp van zwaartekrachtgolven, het is nog steeds lastig om de afstand tot neutronensterfusies te meten - dat wil zeggen, gedeeltelijk, waarom de huidige op zwaartekrachtgolven gebaseerde metingen van de Hubble-constante een onzekerheid van ~ 16% hebben, veel groter dan bestaande metingen met andere traditionele technieken.

In een recent gepubliceerd artikel in de Astrofysische journaalbrieven , een team van wetenschappers onder leiding van ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) en Monash University-alumni Prof Juan Calderón Bustillo (nu La Caixa Junior Leader en Marie Curie Fellow aan het Galicische instituut voor High Energy Physics van de Universiteit van Santiago de Compostela , Spanje), heeft een eenvoudige en nieuwe methode voorgesteld om de nauwkeurigheid van deze metingen terug te brengen tot 2% met behulp van een enkele waarneming van een paar fuserende neutronensterren.

Volgens prof Calderón Bustillo, het is moeilijk te interpreteren hoe ver weg deze fusies plaatsvinden, omdat "momenteel, we kunnen niet zeggen of het binaire getal erg ver weg is en naar de aarde is gericht, of als het veel dichterbij is, met de aarde in zijn baanvlak." Om te kiezen tussen deze twee scenario's, het team stelde voor om secundair te studeren, veel zwakkere componenten van de zwaartekrachtgolfsignalen uitgezonden door neutronensterfusies, bekend als hogere modi.

"Net zoals een orkest verschillende instrumenten bespeelt, fusies van neutronensterren zenden zwaartekrachtgolven uit via verschillende modi, " legt Prof Calderón Bustillo uit. "Als de samensmeltende neutronensterren naar je toe kijken, je hoort alleen het luidste instrument. Echter, als je dicht bij het baanvlak van de fusie bent, je zou ook de secundaire moeten horen. Dit stelt ons in staat om de helling van de neutronensterfusie te bepalen, en beter de afstand meten."

Echter, de methode is niet helemaal nieuw:"We weten dat dit goed werkt voor het geval van zeer massieve samensmeltingen van zwarte gaten, omdat onze huidige detectoren het moment van samensmelten kunnen registreren wanneer de hogere modi het meest prominent zijn. Maar in het geval van neutronensterren, de toonhoogte van het fusiesignaal is zo hoog dat onze detectoren het niet kunnen opnemen. We kunnen alleen de eerdere banen opnemen, " zegt prof Calderón Bustillo.

Toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren, zoals het voorgestelde Australische project NEMO, toegang krijgen tot het feitelijke fusiestadium van neutronensterren. "Als twee neutronensterren samensmelten, de kernfysica die hun materie beheerst, kan zeer rijke signalen veroorzaken die, indien gedetecteerd, zou ons in staat kunnen stellen om precies te weten waar de aarde zich bevindt ten opzichte van het baanvlak van de fusie, " zegt co-auteur en OzGrav hoofdonderzoeker Dr. Paul Lasky, van de Monash-universiteit. Dr. Lasky is ook een van de leiders van het NEMO-project. "Een detector als NEMO zou deze rijke signalen kunnen detecteren, " hij voegt toe.

In hun studie hebben het team voerde computersimulaties uit van fusies van neutronensterren die het effect van de kernfysica van de sterren op de zwaartekrachtsgolven kunnen onthullen. Door deze simulaties te bestuderen, het team stelde vast dat een detector zoals NEMO de constante van Hubble kon meten met een precisie van 2%.

Co-auteur van de studie Prof Tim Dietrich, van de Universiteit van Potsdam, zegt:"We ontdekten dat fijne details die beschrijven hoe neutronen zich in de ster gedragen, subtiele handtekeningen produceren in de zwaartekrachtsgolven die enorm kunnen helpen om de uitdijingssnelheid van het universum te bepalen. Het is fascinerend om te zien hoe effecten op de kleinste nucleaire schaal kunnen afleiden wat er gebeurt bij de grootst mogelijke kosmologische."

Simson Leong, niet-gegradueerde student aan de Chinese Universiteit van Hong Kong en co-auteur van de studie wijst erop dat "een van de meest opwindende dingen van ons resultaat is dat we zo'n grote verbetering hebben behaald terwijl we een nogal conservatief scenario in overweging namen. Hoewel NEMO inderdaad gevoelig zal zijn voor de emissie van fusies van neutronensterren, meer geëvolueerde detectoren zoals Einstein Telescope of Cosmic Explorer zullen nog gevoeliger zijn, waardoor we de uitdijing van het heelal nog nauwkeuriger kunnen meten!"

Een van de meest opvallende implicaties van deze studie is dat het zou kunnen bepalen of het universum uniform uitdijt in de ruimte, zoals momenteel wordt verondersteld. "Eerdere methoden om dit nauwkeurigheidsniveau te bereiken, zijn gebaseerd op het combineren van vele waarnemingen, ervan uitgaande dat de Hubble-constante in alle richtingen en door de hele geschiedenis van het universum hetzelfde is, " zegt Calderón Bustillo. "In ons geval, elke individuele gebeurtenis zou een zeer nauwkeurige schatting opleveren van "zijn eigen Hubble-constante, "waardoor we kunnen testen of dit echt een constante is of dat het varieert in ruimte en tijd."