Het bestuderen van de gewelddadige botsingen van zwarte gaten en neutronensterren kan binnenkort een nieuwe meting opleveren van de uitdijingssnelheid van het heelal, helpen bij het oplossen van een al lang bestaand geschil, suggereert een nieuwe simulatiestudie onder leiding van onderzoekers van de UCL (University College London).

Onze twee huidige beste manieren om de uitdijingssnelheid van het heelal te schatten - het meten van de helderheid en snelheid van pulserende en exploderende sterren, en kijkend naar fluctuaties in straling van het vroege heelal - geven heel verschillende antwoorden, wat suggereert dat onze theorie van het heelal verkeerd kan zijn.

Een derde type meting, kijkend naar de explosies van licht en rimpelingen in het weefsel van de ruimte veroorzaakt door botsingen tussen zwarte gaten en neutronensterren, zou moeten helpen om dit meningsverschil op te lossen en te verduidelijken of onze theorie van het heelal moet worden herschreven.

De nieuwe studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , gesimuleerd 25, 000 scenario's van botsende zwarte gaten en neutronensterren, met als doel te zien hoeveel waarschijnlijk door instrumenten op aarde in het midden tot eind 2020 zouden worden gedetecteerd.

De onderzoekers vonden dat, tegen 2030, instrumenten op aarde kunnen rimpelingen in de ruimte-tijd waarnemen, veroorzaakt door maximaal 3, 000 dergelijke botsingen, en dat voor ongeveer 100 van deze evenementen, telescopen zouden ook begeleidende explosies van licht zien.

Zij concludeerden dat dit voldoende gegevens zouden zijn om een ​​nieuwe, volledig onafhankelijke meting van de uitdijingssnelheid van het heelal, nauwkeurig en betrouwbaar genoeg om de noodzaak van nieuwe fysica te bevestigen of te ontkennen.

Hoofdauteur Dr. Stephen Feeney (UCL Physics &Astronomy) zei:"Een neutronenster is een dode ster, ontstaan ​​wanneer een zeer grote ster explodeert en vervolgens instort, en het is ongelooflijk dicht - meestal 10 mijl in doorsnee, maar met een massa tot tweemaal die van onze zon. De botsing met een zwart gat is een catastrofale gebeurtenis, rimpelingen van ruimte-tijd veroorzaken, bekend als zwaartekrachtsgolven, die we nu op aarde kunnen detecteren met observatoria zoals LIGO en Virgo.

"We hebben nog geen licht van deze botsingen gedetecteerd. Maar vooruitgang in de gevoeligheid van apparatuur die zwaartekrachtgolven detecteert, samen met nieuwe detectoren in India en Japan, zal leiden tot een enorme sprong voorwaarts in het aantal van dit soort gebeurtenissen dat we kunnen detecteren. Het is ongelooflijk spannend en zou een nieuw tijdperk voor astrofysica moeten openen."

Om de uitdijingssnelheid van het heelal te berekenen, bekend als de Hubble-constante, astrofysici moeten de afstand van astronomische objecten tot de aarde kennen, evenals de snelheid waarmee ze zich verwijderen. Het analyseren van zwaartekrachtgolven vertelt ons hoe ver een botsing is, alleen de snelheid te bepalen.

Om te vertellen hoe snel het sterrenstelsel dat een botsing heeft ondergaan, zich verwijdert, we kijken naar de "roodverschuiving" van licht - dat wil zeggen, hoe de golflengte van het door een bron geproduceerde licht is uitgerekt door zijn beweging. Explosies van licht die deze botsingen kunnen vergezellen, zouden ons helpen de melkweg te lokaliseren waar de botsing plaatsvond, waardoor onderzoekers metingen van afstand en metingen van roodverschuiving in dat sterrenstelsel kunnen combineren.

Dr. Feeney zei:"Computermodellen van deze catastrofale gebeurtenissen zijn onvolledig en deze studie zou extra motivatie moeten bieden om ze te verbeteren. Als onze veronderstellingen correct zijn, veel van deze botsingen zullen geen explosies veroorzaken die we kunnen detecteren - het zwarte gat zal de ster opslokken zonder een spoor achter te laten. Maar in sommige gevallen kan een kleiner zwart gat een neutronenster eerst uit elkaar scheuren voordat het wordt ingeslikt, mogelijk materie achterlatend buiten het gat dat elektromagnetische straling uitzendt."

Co-auteur professor Hiranya Peiris (UCL Physics &Astronomy en Stockholm University) zei:"Het meningsverschil over de Hubble-constante is een van de grootste mysteries in de kosmologie. Naast het helpen ontrafelen van deze puzzel, de ruimtetijdrimpelingen van deze catastrofale gebeurtenissen openen een nieuw venster op het universum. We kunnen het komende decennium veel opwindende ontdekkingen verwachten."

Zwaartekrachtgolven worden gedetecteerd bij twee observatoria in de Verenigde Staten (de LIGO Labs), een in Italië (Maagd), en één in Japan (KAGRA). Een vijfde observatorium, LIGO-India, is nu in aanbouw.

Onze twee beste huidige schattingen van de uitdijing van het heelal zijn 67 kilometer per seconde per megaparsec (3,26 miljoen lichtjaar) en 74 kilometer per seconde per megaparsec. De eerste is afgeleid van het analyseren van de kosmische microgolfachtergrond, de straling die overblijft van de oerknal, terwijl de tweede afkomstig is van het vergelijken van sterren op verschillende afstanden van de aarde - met name Cepheïden, die een variabele helderheid hebben, en exploderende sterren genaamd type Ia supernova's.

Dr. Feeney legde uit:"Omdat de microgolfachtergrondmeting een volledige theorie van het heelal vereist, maar de stellaire methode niet, het meningsverschil biedt verleidelijk bewijs van nieuwe fysica die ons huidige begrip te boven gaat. Voordat we dergelijke beweringen kunnen doen, echter, we hebben bevestiging nodig van de onenigheid van volledig onafhankelijke waarnemingen - we geloven dat deze kunnen worden geleverd door botsingen tussen zwarte gaten en neutronensterren."

De studie werd uitgevoerd door onderzoekers van de UCL, Imperial College Londen, Universiteit van Stockholm en de Universiteit van Amsterdam. Het werd ondersteund door de Royal Society, de Zweedse Onderzoeksraad (VR), de Knut en Alice Wallenberg Stichting, en de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).