Toen wetenschappers een rimpeling in de ruimtetijd registreerden, binnen twee seconden gevolgd door een bijbehorende uitbarsting van licht waargenomen door tientallen telescopen over de hele wereld, zij waren getuige geweest, Voor de eerste keer, de explosieve botsing en samensmelting van twee neutronensterren.

De intense kosmologische gebeurtenis die op 17 augustus werd waargenomen, had ook andere weerkaatsingen hier op aarde:het sloot een klasse van donkere energietheorieën uit die de zwaartekracht wijzigen, en daagde een grote klasse van theorieën uit.

Donkere energie, die de versnellende uitdijing van het heelal aandrijft, is een van de grootste mysteries in de natuurkunde. Het maakt ongeveer 68 procent uit van de totale massa en energie van het universum en functioneert als een soort anti-zwaartekracht, maar we hebben er nog geen goede verklaring voor. Simpel gezegd, donkere energie werkt om materie van elkaar weg te duwen, terwijl de zwaartekracht de materie samentrekt.

De fusie van neutronensterren creëerde zwaartekrachtsgolven - een kronkelige vervorming in het weefsel van ruimte en tijd, als een gegooide steen die rimpelingen over een vijver stuurt - die ongeveer 130 miljoen lichtjaar door de ruimte reisde, en arriveerde op bijna hetzelfde moment op de aarde als het hoogenergetische licht dat uit deze samensmelting kwam.

De handtekening van de zwaartekrachtgolven werd gedetecteerd door een netwerk van op aarde gebaseerde detectoren genaamd LIGO en Virgo, en de eerste intense lichtflits werd waargenomen door de Fermi Gamma-ray Space Telescope.

Die bijna gelijktijdige aankomsttijd is een zeer belangrijke test voor theorieën over donkere energie en zwaartekracht.

"Onze resultaten boeken aanzienlijke vooruitgang om de aard van donkere energie op te helderen, " zei Miguel Zumalacárregui, een theoretisch fysicus die deel uitmaakt van het Berkeley Center for Cosmological Physics van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley.

"De eenvoudigste theorieën zijn bewaard gebleven, "zei hij. "Het gaat echt om de timing."

Hij en Jose María Ezquiaga, die een bezoek aan Ph.D. onderzoeker in het Berkeley Center for Cosmological Physics, deelgenomen aan dit onderzoek, die op 18 december in het tijdschrift werd gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven .

Een 100 jaar oude 'kosmologische constante'-theorie geïntroduceerd door Albert Einstein in verband met zijn werk over de algemene relativiteitstheorie en enkele andere theorieën die van dit model zijn afgeleid, blijven als levensvatbare kanshebbers omdat ze stellen dat donkere energie een constante is in zowel ruimte als tijd:Zwaartekrachtsgolven en lichtgolven worden op dezelfde manier beïnvloed door donkere energie, en dus met dezelfde snelheid door de ruimte reizen.

"De favoriete verklaring is deze kosmologische constante, "zei hij. "Dat is zo simpel als het maar kan worden."

Er zijn enkele gecompliceerde en exotische theorieën die ook de test kunnen doorstaan ​​die wordt gepresenteerd door de metingen van de sterfusie. enorme zwaartekracht, bijvoorbeeld - een theorie van zwaartekracht die een massa toekent aan een hypothetisch elementair deeltje dat graviton wordt genoemd - houdt nog steeds een sprankje mogelijkheid in als het graviton een zeer kleine massa heeft.

Enkele andere theorieën, Hoewel, die stelde dat de komst van zwaartekrachtsgolven in de tijd zou worden gescheiden van de aankomende lichtsignatuur van de sterfusie door veel langere perioden - die zich uitstrekken tot miljoenen jaren - verklaren niet wat er werd gezien, en moet worden gewijzigd of geschrapt.

De studie merkt op dat een klasse van theorieën die bekend staat als scalaire-tensortheorieën in het bijzonder wordt uitgedaagd door de fusiewaarnemingen van neutronensterren, inclusief Einstein-Aether, MOND-achtig (met betrekking tot gewijzigde Newtoniaanse dynamiek), Galileo, en Horndeski-theorieën, om er een paar te noemen.

Met aanpassingen, sommige van de uitgedaagde modellen kunnen de laatste test door de sterfusie overleven, Zumalacárregui zei:hoewel ze "een deel van hun eenvoud verliezen" in het proces.

Zumalacárregui kwam vorig jaar bij het kosmologisch centrum en is een wereldwijde Marie Sk?odowska-Curie-onderzoeker die gespecialiseerd is in onderzoek naar zwaartekracht en donkere energie.

Hij begon te onderzoeken of zwaartekrachtsgolven een nuttige test van donkere energie zouden kunnen zijn na de aankondiging van februari 2016 dat de twee sets zwaartekrachtgolfdetectoren genaamd LIGO (de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) de eerste bevestigde meting van zwaartekrachtgolven hadden vastgelegd. Wetenschappers denken dat die golven zijn ontstaan ​​door het samensmelten van twee zwarte gaten om een ​​groter zwart gat te creëren.

Maar dat soort gebeurtenissen produceren geen bijbehorende uitbarsting van licht. "Je hebt beide nodig - niet alleen zwaartekrachtgolven om theorieën over zwaartekracht en donkere energie te testen, ' zei Zumalacárregui.

Een andere studie, die hij samen met Ezquiaga en anderen in april 2017 publiceerde, onderzocht de theoretische omstandigheden waaronder zwaartekrachtgolven met een andere snelheid dan het licht kunnen reizen.

Een andere implicatie voor dit onderzoeksgebied is dat, door zwaartekrachtsgolven te verzamelen van deze en mogelijk andere kosmologische gebeurtenissen, het kan mogelijk zijn om hun karakteristieke handtekeningen te gebruiken als "standaardsirenes" voor het meten van de uitdijingssnelheid van het universum.

Dit is analoog aan hoe onderzoekers de vergelijkbare lichtsignaturen voor objecten gebruiken - waaronder een soort exploderende sterren die bekend staat als Type Ia-supernova's en pulserende sterren die bekend staan ​​als cepheïden - als "standaardkaarsen" om hun afstand te meten.

Kosmologen gebruiken een combinatie van dergelijke metingen om een ​​zogenaamde afstandsladder te bouwen om te meten hoe ver een bepaald object van de aarde verwijderd is. maar er zijn enkele onopgeloste discrepanties die waarschijnlijk te wijten zijn aan de aanwezigheid van ruimtestof en onvolkomenheden in berekeningen.

Het verzamelen van meer gegevens van gebeurtenissen die zowel zwaartekrachtsgolven als licht genereren, zou ook kunnen helpen bij het oplossen van verschillende metingen van de Hubble-constante - een populaire maatstaf voor de uitdijingssnelheid van het universum.

De Hubble-snelheid gekalibreerd met supernova-afstandsmetingen verschilt van de Hubble-snelheid verkregen uit andere kosmologische waarnemingen, Zumalacárregui merkte op, dus het vinden van meer standaardsirenes zoals fusies van neutronensterren zou de afstandsmetingen mogelijk kunnen verbeteren.

Het fusie-evenement van neutronensterren in augustus bood een onverwachte maar zeer welkome kans, hij zei.

"Zwaartekrachtgolven zijn een zeer onafhankelijke bevestiging of weerlegging van de afstandsladdermetingen, " zei hij. "Ik heb erg veel zin in de komende jaren. Tenminste enkele van deze niet-standaard donkere-energiemodellen zouden deze Hubble-snelheidsdiscrepantie kunnen verklaren.

"Misschien hebben we sommige gebeurtenissen onderschat, of er is iets niet bekend dat we de standaard kosmologie van het universum moeten herzien, "voegde hij eraan toe. "Als deze norm geldt, we hebben radicaal nieuwe theoretische ideeën nodig die experimenteel moeilijk te verifiëren zijn, zoals meerdere universums - het multiversum. Echter, als deze standaard faalt, we zullen meer experimentele mogelijkheden hebben om die ideeën te testen."

Er komen nieuwe instrumenten en luchtonderzoeken online die ook gericht zijn op het verbeteren van ons begrip van donkere energie, inclusief het door Berkeley Lab geleide Dark Energy Spectroscopic Instrument-project dat naar verwachting in 2019 van start zal gaan. En wetenschappers die andere verschijnselen bestuderen, zoals optische illusies in de ruimte veroorzaakt door zwaartekrachtlenzen - een door zwaartekracht veroorzaakt effect dat ervoor zorgt dat licht van verre objecten buigt en vervormt rond objecten die dichterbij zijn - zullen ook nuttig zijn bij het maken van nauwkeurigere metingen.

"Het kan de manier waarop we denken over ons universum en onze plaats daarin veranderen, "Zei Zumalacárregui. "Er zijn nieuwe ideeën voor nodig."