Een zwart gat is meestal de plaats waar informatie verdwijnt, maar wetenschappers hebben misschien een truc gevonden om de laatste momenten te gebruiken om ons over de geschiedenis van het universum te vertellen.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Physical Review Letters , hebben twee astrofysici van de Universiteit van Chicago een methode ontwikkeld om paren botsende zwarte gaten te gebruiken om te meten hoe snel ons universum uitdijt - en zo te begrijpen hoe het universum is geëvolueerd, waaruit het is gemaakt en waar het naartoe gaat.

In het bijzonder denken de wetenschappers dat de nieuwe techniek, die ze een 'spectrale sirene' noemen, ons zou kunnen vertellen over de anders ongrijpbare 'tienerjaren' van het universum.

Een kosmische heerser

Een belangrijk lopend wetenschappelijk debat is precies hoe snel het universum uitdijt - een getal dat de Hubble-constante wordt genoemd. De verschillende methoden die tot nu toe beschikbaar zijn, leveren enigszins verschillende antwoorden op, en wetenschappers willen graag alternatieve manieren vinden om deze snelheid te meten. Het controleren van de nauwkeurigheid van dit getal is vooral belangrijk omdat het ons begrip van fundamentele vragen zoals de leeftijd, geschiedenis en samenstelling van het universum beïnvloedt.

De nieuwe studie biedt een manier om deze berekening te maken, met behulp van speciale detectoren die de kosmische echo's van botsingen met zwarte gaten opvangen.

Af en toe zullen twee zwarte gaten in elkaar slaan - een gebeurtenis die zo krachtig is dat het letterlijk een rimpeling in de ruimte-tijd veroorzaakt die door het universum reist. Hier op aarde kunnen de Amerikaanse Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en de Italiaanse sterrenwacht Virgo die rimpelingen opvangen, die zwaartekrachtsgolven worden genoemd.

In de afgelopen jaren hebben LIGO en Virgo de metingen verzameld van bijna 100 paar botsende zwarte gaten.

Het signaal van elke botsing bevat informatie over hoe zwaar de zwarte gaten waren. Maar het signaal reist door de ruimte en in die tijd is het heelal uitgebreid, waardoor de eigenschappen van het signaal veranderen. "Als je bijvoorbeeld een zwart gat zou nemen en het eerder in het universum zou plaatsen, zou het signaal veranderen en zou het eruit zien als een groter zwart gat dan het in werkelijkheid is", legt UChicago-astrofysicus Daniel Holz uit, een van de twee auteurs van het onderzoek. papier.

Als wetenschappers een manier kunnen vinden om te meten hoe dat signaal is veranderd, kunnen ze de uitdijingssnelheid van het universum berekenen. Het probleem is kalibratie:hoe weten ze hoeveel het is veranderd ten opzichte van het origineel?

In hun nieuwe artikel suggereren Holz en eerste auteur Jose María Ezquiaga dat ze onze nieuwe kennis over de hele populatie zwarte gaten kunnen gebruiken als kalibratietool. Het huidige bewijs suggereert bijvoorbeeld dat de meeste van de gedetecteerde zwarte gaten tussen de vijf en veertig keer de massa van onze zon hebben. "Dus we meten de massa's van de nabijgelegen zwarte gaten en begrijpen hun kenmerken, en dan kijken we verder weg en zien hoeveel die verdere zwarte gaten lijken te zijn verschoven", zegt Ezquiaga, een NASA Einstein Postdoctoral Fellow en Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow werken met Holz bij UChicago. "En dit geeft je een maat voor de uitdijing van het universum."

De auteurs noemen het de 'spectral siren'-methode, een nieuwe benadering van de 'standaard sirene'-methode die Holz en zijn medewerkers hebben ontwikkeld. (De naam is een verwijzing naar de 'standaard kaars'-methoden die ook in de astronomie worden gebruikt.)

De wetenschappers zijn enthousiast omdat in de toekomst, naarmate de mogelijkheden van LIGO toenemen, de methode een uniek venster kan bieden in de "tienerjaren" van het universum - ongeveer 10 miljard jaar geleden - die moeilijk te bestuderen zijn met andere methoden.

Onderzoekers kunnen de kosmische microgolfachtergrond gebruiken om naar de allereerste momenten van het universum te kijken, en ze kunnen rondkijken naar sterrenstelsels in de buurt van ons eigen melkwegstelsel om de recentere geschiedenis van het universum te bestuderen. Maar de tussenliggende periode is moeilijker te bereiken, en het is een gebied van bijzonder wetenschappelijk belang.

"Het is rond die tijd dat we zijn overgestapt van donkere materie als de overheersende kracht in het universum naar donkere energie die het overneemt, en we zijn erg geïnteresseerd in het bestuderen van deze cruciale overgang", zei Ezquiaga.

Het andere voordeel van deze methode, aldus de auteurs, is dat er minder onzekerheden ontstaan ​​door hiaten in onze wetenschappelijke kennis. "Door de volledige populatie zwarte gaten te gebruiken, kan de methode zichzelf kalibreren en fouten direct identificeren en corrigeren", zei Holz. De andere methoden die worden gebruikt om de Hubble-constante te berekenen, zijn gebaseerd op ons huidige begrip van de fysica van sterren en sterrenstelsels, waarbij veel gecompliceerde fysica en astrofysica betrokken zijn. Dit betekent dat de metingen behoorlijk kunnen afwijken als er iets is dat we nog niet weten.

Deze nieuwe methode voor zwarte gaten is daarentegen bijna puur gebaseerd op Einsteins zwaartekrachttheorie, die goed is bestudeerd en zich heeft verzet tegen alle manieren waarop wetenschappers het tot nu toe hebben geprobeerd te testen.

Hoe meer metingen ze hebben van alle zwarte gaten, hoe nauwkeuriger deze kalibratie zal zijn. "We hebben bij voorkeur duizenden van deze signalen nodig, die we over een paar jaar zouden moeten hebben, en zelfs meer in de komende tien jaar of twee", zei Holz. "Op dat moment zou het een ongelooflijk krachtige methode zijn om meer te weten te komen over het universum." + Verder verkennen

Hoeveel sterren botsen uiteindelijk als zwarte gaten? Het universum heeft daar een budget voor