Zderzenia czarnych dziur mogą pomóc zmierzyć, jak szybko rozszerza się Wszechświat

Astronomowie proponują metodę „syreny widmowej” do zrozumienia ewolucji Wszechświata.

Zderzające się czarne dziury.
Źródło: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project.

Czarna dziura jest miejscem, gdzie informacje znikają – ale naukowcy mogli znaleźć sztuczkę, aby wykorzystać jej ostatnie chwile do opowiedzenia nam o historii Wszechświata.

W nowej pracy dwóch astrofizyków z Uniwersytetu w Chicago przedstawiło metodę wykorzystania par zderzających się czarnych dziur do pomiaru tempa rozszerzania się Wszechświata – a tym samym do zrozumienia, w jaki sposób Wszechświat ewoluował, z czego jest zbudowany i dokąd zmierza.

W szczególności naukowcy sądzą, że nowa technika, którą nazywają „syreną widmową”, może nam powiedzieć o nieuchwytnych „nastoletnich” latach Wszechświata.

Kosmiczny władca
Ważna, tocząca się debata naukowa dotyczy dokładnego tempa rozszerzania się Wszechświata – liczba ta jest nazywana stałą Hubble’a. Różne dostępne dotychczas metody dają nieco inne odpowiedzi, a naukowcy chętnie szukają alternatywnych sposobów pomiaru tego wskaźnika. Sprawdzenie dokładności tej liczby jest szczególnie ważne, ponieważ wpływa na nasze zrozumienie podstawowych kwestii, takich jak wiek, historia i budowa Wszechświata.

Nowe badanie oferuje sposób na wykonanie tych obliczeń przy użyciu specjalnych detektorów, które odbierają kosmiczne echa kolizji czarnych dziur.

Od czasu do czasu dwie czarne dziury zderzają się ze sobą – jest to zdarzenie tak potężne, że dosłownie tworzy falę w czasoprzestrzeni, która podróżuje przez Wszechświat. Tutaj na Ziemi, interferometry LIGO i Virgo mogą wychwycić te fale, które nazywane są falami grawitacyjnymi.

W ciągu ostatnich kilku lat LIGO i Virgo zebrały odczyty z prawie 100 par zderzających się czarnych dziur.

Sygnał z każdego zderzenia zawiera informacje o tym, jak masywne były czarne dziury. Ale sygnał podróżował przez przestrzeń, a w tym czasie Wszechświat się rozszerzył, co zmienia właściwości sygnału.

Jeżeli naukowcy potrafią wymyślić sposób na zmierzenie, jak zmienił się ten sygnał, mogą obliczyć tempo rozszerzania się Wszechświata. Problemem jest kalibracja: skąd mają wiedzieć, jak bardzo zmienił się on w stosunku do oryginału?

W swojej nowej pracy jej autorzy Daniel Holz i Jose María Ezquiaga sugerują, że mogą wykorzystać naszą nowo zdobytą wiedzę o całej populacji czarnych dziur jako narzędzie kalibracji. Na przykład, obecne dowody sugerują, że większość wykrytych czarnych dziur ma od 5 do 40 razy większe masy niż nasze Słońce. Więc mierzymy masy pobliskich czarnych dziur i rozumiemy ich właściwości, a następnie patrzymy dalej i widzimy, jak bardzo te dalsze wydają się być przesunięte – powiedział Ezquiaga. A to daje miarę ekspansji Wszechświata.

Autorzy nazywają to metodą „syreny widmowej”, nowym podejściem do metody „syreny standardowej”, której pionierem był Holz i współpracownicy. (Nazwa jest nawiązaniem do metod „świecy standardowej” stosowanych również w astronomii.)

Naukowcy są podekscytowani, ponieważ w przyszłości, wraz z rozwojem możliwości LIGO, metoda ta może zapewnić unikalne okno do „młodzieńczych” lat Wszechświata – około 10 miliardów lat temu – które są trudne do zbadania innymi metodami.

Naukowcy mogą wykorzystać mikrofalowe promieniowanie tła, aby przyjrzeć się wcześniejszym momentom istnienia Wszechświata, a także mogą rozejrzeć się po galaktykach w pobliżu naszej własnej Galaktyki, aby zbadać nowszą historię Wszechświata. Jednak okres pomiędzy nimi jest trudniejszy do osiągnięcia i stanowi obszar szczególnego zainteresowania naukowców.

To mniej więcej w tym czasie przeszliśmy od ciemnej materii będącej dominującą siłą we Wszechświecie do ciemnej energii przejmującej władzę, a my jesteśmy bardzo zainteresowani badaniem tego krytycznego przejścia – powiedział Ezquiaga.

Według autorów inną zaletą tej metody jest to, że istnieje mniej niepewności spowodowanych lukami w naszej wiedzy naukowej. Dzięki wykorzystaniu całej populacji czarnych dziur, metoda ta może się kalibrować, bezpośrednio identyfikując i korygując błędy – powiedział Holz. Inne metody stosowane do obliczania stałej Hubble’a polegają na naszym obecnym rozumieniu fizyki gwiazd i galaktyk, co wiąże się z wieloma skomplikowanymi zagadnieniami fizyki i astrofizyki. Oznacza to, że pomiary mogą być znacznie utrudnione, jeżeli jest coś, czego jeszcze nie wiemy.

Dla kontrastu, ta nowa metoda czarnej dziury opiera się prawie wyłącznie na teorii grawitacji Einsteina, która jest dobrze zbadana i wytrzymała wszystkie sposoby, na jakie naukowcy próbowali ją dotychczas przetestować.

Im więcej odczytów uzyskają ze wszystkich czarnych dziur, tym dokładniejsza będzie ta kalibracja. Potrzebujemy najlepiej tysięcy takich sygnałów, które powinniśmy mieć w ciągu następnej dekady lub dwóch – powiedział Holz. W tym momencie byłaby to niesamowicie potężna metoda poznawania Wszechświata.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Czarna dziura wyrzuca gwiezdne szczątki

Astronomowie potwierdzają istnienie kosmicznej super-pustki, która podważa nasze rozumienie ciemnej energii

Astronomowie są świadkami, jak umierająca gwiazda osiąga swój koniec