De la înființare în urmă cu 13,8 miliarde de ani, universul a continuat să se extindă, împrăștiind sute de miliarde de galaxii și stele ca stafide într-un aluat în creștere rapidă. Astronomii au orientat telescoapele către anumite stele și alte surse cosmice pentru a măsura distanța față de Pământ și rata lor de îndepărtare - doi parametri care sunt necesari pentru a calcula constanta Hubble, o unitate de măsură care descrie viteza la care universul se extinde.
Dar până în prezent, cele mai exacte încercări de estimare a constantei Hubble au dat valori foarte împrăștiate și nu au permis concluzia finală cu privire la cât de repede crește universul. Aceste informații, potrivit oamenilor de știință, ar trebui să facă lumină asupra originii Universului și asupra soartei sale: se va extinde cosmosul la infinit sau se va micșora într-o zi?
Și astfel, oamenii de știință de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts și Universitatea Harvard au propus o modalitate mai precisă și mai independentă de a măsura constanta Hubble folosind unde gravitaționale emise de sisteme relativ rare: o gaură neagră-stea neutronică sistem binar, o pereche energetică răsucită într-o spirală de o gaură neagră și o stea neutronică. Pe măsură ce aceste obiecte se mișcă în dans, ele creează unde tremurând spațiu-timp și un fulger de lumină atunci când are loc coliziunea finală.
Într-o lucrare publicată pe 12 iulie în Physical Review Letters, oamenii de știință au spus că fulgerul de lumină le va permite oamenilor de știință să estimeze viteza sistemului, adică cât de repede se îndepărtează de Pământ. Undele gravitaționale emise, dacă sunt capturate pe Pământ, ar trebui să ofere o măsurare independentă și precisă a distanței până la sistem. În ciuda faptului că sistemele binare de găuri negre și stele de neutroni sunt incredibil de rare, oamenii de știință estimează că descoperirea chiar și a câtorva dintre ele va face cea mai exactă estimare a constantei Hubble și a ratei de expansiune a universului până în prezent.
„Sistemele binare de găuri negre și stele de neutroni sunt sisteme foarte complexe despre care știm foarte puțin”, spune Salvatore Vitale, profesor asociat de fizică la MIT și autor principal al lucrării. „Dacă vom găsi unul, premiul va fi descoperirea noastră radicală în înțelegerea universului”.
Vitale este co-autor de Hsin-Yu Chen de la Harvard.
Video promotional:
Constantele concurente
Recent au fost efectuate două măsurători independente ale constantei Hubble, una folosind telescopul spațial Hubble al NASA și cealaltă folosind satelitul Planck al Agenției Spațiale Europene. Măsurarea lui Hubble s-a bazat pe observațiile unei stele cunoscute sub numele de variabila Cepheid, precum și pe observațiile supernovei. Ambele obiecte sunt considerate „lumânări standard” pentru predictibilitatea în luminozitate, prin care oamenii de știință estimează distanța față de o stea și viteza acesteia.
Un alt tip de evaluare se bazează pe observațiile fluctuațiilor din fundalul cosmic cu microunde - radiații electromagnetice care au rămas după Big Bang, când universul era încă la început. Deși observațiile ambelor sonde sunt extrem de exacte, estimările lor ale constantei Hubble diferă foarte mult.
„Și aici intră în joc LIGO”, spune Vitale.
LIGO, sau observator cu unde gravitaționale interferometrice cu laser, caută unde gravitaționale - ondulații pe țesătura spațiului-timp, care se naște ca urmare a cataclismelor astrofizice.
„Undele gravitaționale oferă o modalitate foarte simplă și ușoară de a măsura distanțele față de sursele lor”, spune Vitale. „Ceea ce am găsit cu LIGO este o amprentă directă a distanței până la sursă, fără nicio analiză suplimentară.”
În 2017, oamenii de știință au avut prima lor șansă de a estima constanta Hubble dintr-o sursă de undă gravitațională atunci când LIGO și omologul său italian Virgo au descoperit o pereche de stele de neutroni care se ciocnesc pentru prima dată în istorie. Această coliziune a eliberat o cantitate uriașă de unde gravitaționale, pe care oamenii de știință au măsurat-o pentru a determina distanța de la Pământ la sistem. Fuziunea a emis, de asemenea, o explozie de lumină, pe care astronomii au reușit să o analizeze cu telescoape terestre și spațiale pentru a determina viteza sistemului.
După ce au obținut ambele măsurători, oamenii de știință au calculat o nouă valoare pentru constanta Hubble. Cu toate acestea, estimarea a venit cu o incertitudine relativ mare de 14%, mult mai nesigură decât valorile calculate folosind Hubble și Planck.
Vitale spune că o mare parte din incertitudine provine din faptul că interpretarea distanței de la un sistem binar la Pământ este dificilă folosind undele gravitaționale generate de acel sistem.
„Măsurăm distanța uitându-ne la cât de„ puternică”este unda gravitațională, adică cât de curate vor fi datele noastre pe ea”, spune Vitale. „Dacă totul este clar, puteți vedea că este tare și puteți determina distanța. Dar acest lucru este valabil doar parțial pentru sistemele binare."
Faptul este că aceste sisteme, care generează un disc rotitor de energie pe măsură ce se dezvoltă dansul a două stele de neutroni, emit unde gravitaționale inegale. Majoritatea undelor gravitaționale sunt împușcate din centrul discului, în timp ce mult mai puține dintre ele sunt împușcate de pe margini. Dacă oamenii de știință detectează un semnal de undă gravitațională „puternic”, acest lucru poate indica unul din cele două scenarii: undele detectate se nasc la marginile unui sistem care este foarte aproape de Pământ sau valurile provin din centrul unui sistem mult mai îndepărtat.
„În cazul sistemelor binare stelare, este foarte dificil să se facă distincția între aceste două situații”, spune Vitale.
Nou val
În 2014, chiar înainte ca LIGO să descopere primele unde gravitaționale, Vitale și colegii săi au observat că un sistem binar al unei găuri negre și al unei stele de neutroni ar putea oferi o măsurare a distanței mai precisă decât stelele binare de neutroni. Echipa a studiat cât de precis poate fi măsurată rotația unei găuri negre, cu condiția ca aceste obiecte să se rotească pe axa lor, ca și Pământul, doar mai repede.
Cercetătorii au modelat diferite sisteme de gauri negre, inclusiv sisteme stea gaură neagră-neutron și sisteme binare de stele neutronice. Pe parcurs, s-a constatat că distanța până la gaura neagră - sistemele de stele neutronice poate fi determinată mai precis decât la stelele neutronice. Vitale spune că acest lucru se datorează rotirii găurii negre din jurul stelei de neutroni, deoarece ajută la determinarea mai bună de unde provin undele gravitaționale din sistem.
„Datorită măsurării mai precise a distanței, m-am gândit că sistemele binare cu stea neutră gaură neagră ar putea fi un punct de referință mai bun pentru măsurarea constantei Hubble”, spune Vitale. „De atunci, s-au întâmplat multe lucruri cu LIGO și au fost descoperite unde gravitaționale, așa că totul s-a estompat în fundal”.
Vitale a revenit recent la observația sa inițială.
„Până acum, oamenii au preferat stelele binare de neutroni ca modalitate de a măsura constanta Hubble folosind unde gravitaționale”, spune Vitale. „Am arătat că există un alt tip de sursă de unde gravitaționale care nu a fost pe deplin exploatată până acum: găurile negre și stelele de neutroni dansând în jur. LIGO va începe să colecteze date din nou în ianuarie 2019 și va deveni mult mai sensibil, ceea ce înseamnă că putem vedea obiecte mai îndepărtate. Prin urmare, LIGO va putea vedea cel puțin un sistem de gaură neagră și o stea de neutroni, și de preferință toate douăzeci și cinci, iar acest lucru va ajuta la rezolvarea tensiunii existente în măsurarea constantei Hubble, sperăm, în următorii câțiva ani.
Ilya Khel
