Od svojho vzniku pred 13,8 miliardami rokov sa vesmír neustále rozširoval a rozptýlil stovky miliárd galaxií a hviezd ako hrozienka v rýchlo sa rozvíjajúcom ceste. Astronómovia namierili ďalekohľady na určité hviezdy a ďalšie vesmírne zdroje na meranie ich vzdialenosti od Zeme a rýchlosti ich odstraňovania, čo sú dva parametre, ktoré sú potrebné na výpočet Hubblovej konštanty, merná jednotka, ktorá popisuje rýchlosť rozpínania vesmíru.
Ale doposiaľ najpresnejšie pokusy odhadnúť Hubblovu konštantu priniesli veľmi rozptýlené hodnoty a neumožnili urobiť konečný záver o tom, ako rýchlo vesmír rastie. Táto informácia by podľa vedcov mala vrhnúť svetlo na vznik vesmíru a na jeho osud: bude sa vesmír rozširovať nekonečne alebo sa jedného dňa zmenší?
A tak vedci z Massachusetts Institute of Technology a Harvard University navrhli presnejší a nezávislejší spôsob merania Hubblovej konštanty pomocou gravitačných vĺn emitovaných relatívne zriedkavými systémami: dvojkový systém čierna diera-neutrónová hviezda, energetický pár stočený do špirály čiernou dierou a neutrónová hviezda. Keď sa tieto objekty pohybujú v tanci, vytvárajú časopriestorové chvenie vĺn a záblesk svetla, keď dôjde ku konečnej kolízii.
V článku zverejnenom 12. júla v časopise Physical Review Letters vedci uviedli, že záblesk svetla umožní vedcom odhadnúť rýchlosť systému, teda to, ako rýchlo sa vzďaľuje od Zeme. Ak sú emitované gravitačné vlny zachytené na Zemi, mali by poskytovať nezávislé a presné meranie vzdialenosti k systému. Napriek skutočnosti, že binárne systémy čiernych dier a neutrónových hviezd sú neuveriteľne zriedkavé, vedci odhadujú, že objav iba niekoľkých z nich prinesie doposiaľ najpresnejší odhad Hubblovej konštanty a rýchlosti rozpínania vesmíru.
„Binárne systémy čiernych dier a neutrónových hviezd sú veľmi zložité systémy, o ktorých vieme len veľmi málo,“hovorí Salvatore Vitale, docent fyziky na MIT a hlavný autor príspevku. „Ak nejaký nájdeme, cenou bude náš radikálny prielom v porozumení vesmíru.“
Spoluautorom skupiny Vitale je Hsin-Yu Chen z Harvardu.
Propagačné video:
Konkurenčné konštanty
Nedávno boli urobené dve nezávislé merania Hubblovej konštanty, jedno pomocou Hubblovho vesmírneho teleskopu NASA a druhé pomocou satelitu Planck Európskej vesmírnej agentúry. Hubblovo meranie bolo založené na pozorovaní hviezdy známej ako cefeidská premenná, ako aj na pozorovaní supernov. Oba tieto objekty sa považujú za „štandardné sviečky“pre predvídateľnosť jasu, podľa ktorého vedci odhadujú vzdialenosť k hviezde a jej rýchlosť.
Iný typ hodnotenia je založený na pozorovaní kolísania kozmického mikrovlnného pozadia - elektromagnetického žiarenia, ktoré zostalo po Veľkom tresku, keď bol vesmír ešte v plienkach. Aj keď sú pozorovania oboch sond mimoriadne presné, ich odhady Hubblovej konštanty sa veľmi líšia.
„A práve tu vstupuje do hry LIGO,“hovorí Vitale.
LIGO alebo laserové interferometrické observatórium gravitačných vĺn hľadá gravitačné vlny - vlnky na štruktúre časopriestoru, ktorá sa rodí v dôsledku astrofyzikálnych katakliziem.
„Gravitačné vlny poskytujú veľmi jednoduchý a ľahký spôsob merania vzdialeností k ich zdrojom,“hovorí Vitale. „To, čo sme našli pomocou programu LIGO, je priamy odtlačok vzdialenosti od zdroja bez akejkoľvek ďalšej analýzy.“
V roku 2017 dostali vedci svoju prvú šancu odhadnúť Hubblovu konštantu zo zdroja gravitačných vĺn, keď LIGO a jeho taliansky náprotivok Panna objavili po prvýkrát v histórii dvojicu zrážajúcich sa neutrónových hviezd. Táto zrážka uvoľnila obrovské množstvo gravitačných vĺn, ktoré vedci namerali na určenie vzdialenosti od Zeme k systému. Spojenie tiež emitovalo záblesk svetla, ktorý boli astronómovia schopní analyzovať pozemnými a vesmírnymi ďalekohľadmi s cieľom určiť rýchlosť systému.
Po získaní oboch meraní vedci vypočítali novú hodnotu Hubblovej konštanty. Odhad však vyšiel s relatívne veľkou neistotou 14%, oveľa neistou ako hodnoty vypočítané pomocou HST a Plancka.
Vitale hovorí, že veľká časť neistoty pramení zo skutočnosti, že interpretácia vzdialenosti od binárneho systému k Zemi je zložitá pomocou gravitačných vĺn generovaných týmto systémom.
„Meriame vzdialenosť tým, že sa pozeráme na to, aké„ hlasné “je gravitačné vlnenie, to znamená, ako čisté budú naše údaje o ňom,“hovorí Vitale. "Ak je všetko jasné, môžete vidieť, že je to nahlas, a určiť vzdialenosť." To však platí pre binárne systémy iba čiastočne. ““
Faktom je, že tieto systémy, ktoré pri vývoji tanca dvoch neutrónových hviezd vytvárajú víriaci disk energie, vysielajú gravitačné vlny nerovnomerne. Väčšina gravitačných vĺn sa strieľa zo stredu disku, oveľa menej z okrajov. Ak vedci detekujú „hlasný“signál gravitačných vĺn, môže to znamenať jeden z dvoch scenárov: detekované vlny sa rodia na okrajoch systému, ktorý je veľmi blízko k Zemi, alebo vlny pochádzajú zo stredu oveľa vzdialenejšej sústavy.
"V prípade binárnych hviezdnych systémov je veľmi ťažké rozlíšiť medzi týmito dvoma situáciami," hovorí Vitale.
Nová vlna
V roku 2014, ešte predtým, ako LIGO detekovalo prvé gravitačné vlny, Vitale a jeho kolegovia pozorovali, že binárny systém čiernej diery a neutrónovej hviezdy môže poskytnúť presnejšie meranie vzdialenosti ako binárne neutrónové hviezdy. Tím študoval, ako presne je možné merať rotáciu čiernej diery za predpokladu, že sa tieto objekty budú otáčať okolo svojej osi, podobne ako Zem, iba rýchlejšie.
Vedci modelovali rôzne systémy čiernych dier, vrátane neutrálnych hviezdnych systémov čiernych dier a binárnych neutrónových hviezdnych systémov. Pozdĺž cesty sa zistilo, že vzdialenosť od sústavy čierna diera - neutrónové hviezdy sa dá určiť presnejšie ako od neutrónových hviezd. Vitale hovorí, že je to spôsobené rotáciou čiernej diery okolo neutrónovej hviezdy, pretože to pomáha lepšie určiť, odkiaľ gravitačné vlny v systéme prichádzajú.
"Kvôli presnejšiemu meraniu vzdialenosti som si myslel, že binárne neutrálne hviezdne systémy s čiernymi dierami môžu byť lepším referenčným bodom pre meranie Hubblovej konštanty," hovorí Vitale. „Odvtedy sa s LIGO stalo veľa a boli objavené gravitačné vlny, takže všetko ustúpilo do pozadia.“
Vitale sa nedávno vrátil k pôvodnému pozorovaniu.
"Doteraz ľudia uprednostňovali binárne neutrónové hviezdy ako spôsob merania Hubblovej konštanty pomocou gravitačných vĺn," hovorí Vitale. "Ukázali sme, že existuje ďalší typ zdroja gravitačných vĺn, ktorý nebol predtým úplne využitý: čierne diery a neutrónové hviezdy tancujúce okolo." LIGO začne znova zhromažďovať údaje v januári 2019 a stane sa oveľa citlivejšou, čo znamená, že môžeme vidieť vzdialenejšie objekty. Preto bude LIGO v nasledujúcich niekoľkých rokoch vidieť aspoň jeden systém čiernej diery a neutrónovej hviezdy, alebo lepšie všetkých dvadsaťpäť, čo pomôže vyriešiť existujúce napätie v meraní Hubblovej konštanty.
Iľja Khel