Fale grawitacyjne mierzą Wszechświat

Bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych z przynajmniej pięciu źródeł w ciągu ostatnich dwóch lat daje spektakularne potwierdzenie modelu grawitacji i czasoprzestrzeni Alberta Einsteina. Modelowanie tych zdarzeń dostarczyło również informacji na temat masywnego powstawania gwiazd, rozbłysków gamma, charakterystyki gwiazd neutronowych i (po raz pierwszy) teoretycznych założeń dotyczących wytwarzania bardzo ciężkich pierwiastków, takich jak np. złoto.

Teraz badacze wykorzystali pojedyncze zdarzenie fali grawitacyjnej o oznaczeniu GW170817, do pomiaru wieku Wszechświata. Astronomowie z Harvard-Smithsonian CfA, Peter Blanchard, Tarreneh Eftekhari, Victoria Villar oraz Peter Williams byli członkami zespołu 1314 naukowców z całego świata, którzy przyczynili się do wykrycia fal grawitacyjnych z łączących się gwiazd neutronowych w układach podwójnych, prowadzących do wykrywania promieniowania gamma, a następnie źródła pochodzenia kataklizmu w galaktyce NGC 4993, dostrzeżonego na obrazach wykonanych z różnymi opóźnieniami czasowymi w zakresie długości fal, od promieniowania rentgenowskiego po radiowe.

Analiza fal grawitacyjnych z tego zdarzenia przedstawia ich wewnętrzną intensywność. Obserwowana intensywność jest mniejsza, co sugeruje (ponieważ intensywność zmienia się wraz z odległością), że źródło znajduje się 140 milionów lat świetlnych stąd. Ich galaktyka macierzysta, NGC 4993, ma znaczną prędkość, ze względu na ekspansję Wszechświata, którą można zmierzyć na podstawie jej linii widmowych. Wiedząc, jak daleko jest i jak szybko galaktyka oddala się od nas, naukowcy mogą obliczyć czas od rozpoczęcia ekspansji – wiek Wszechświata: od około 11,9 do 15,7 miliarda lat, biorąc pod uwagę eksperymentalne niedokładności. 

Wiek pochodny z tego pojedynczego zdarzenia zgadza się z szacunkami z dziesięcioleci obserwacji opartych na metodach statystycznych, wykorzystujących dwa inne źródła: kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła i ruch galaktyk. Pierwsze polega na mapowaniu bardzo słabego światła, datowanego na około cztery tysiące lat po Wielkim Wybuchu. Drugie obejmuje analizę odległości i ruchów dziesiątek tysięcy galaktyk w stosunkowo niedawnym czasie. Fakt, że to pojedyncze zdarzenie fali grawitacyjnej pozwoliło na określenie wieku Wszechświata, jest niezwykły ale nie jest to możliwe przy każdym wykryciu fali grawitacyjnej. W tym przypadku była także optyczna identyfikacja źródła (dzięki czemu można było zmierzyć prędkość), które nie było ani zbyt odległe ani zbyt słabe. Przy większej statystycznej próbce fal grawitacyjnych wszystkich typów, obecny zakres wartości dla wieku Wszechświata będzie się zawężał. 

Nowy wynik jest także intrygujący z innego powodu. Chociaż zarówno kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, jak i pomiary galaktyk są dość dokładne, zdają się nie zgadzać ze sobą na poziomie mniej więcej 10%. Ta niezgodność może być jedynie błędem obserwacyjnym, ale niektórzy astronomowie podejrzewają, że może to być prawdziwa różnica odzwierciedlająca coś, czego obecnie brakuje w naszym obrazie kosmicznego procesu ekspansji, może w związku z faktem, że kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła pojawia się z zupełnie innej epoki kosmicznego czasu, niż dane z galaktyk. Trzecia metoda, zdarzenia fal grawitacyjnych, może pomóc rozwiązać tę zagadkę.  

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Gravitational Waves Measure the Universe

Źródło: Harvard-Smithsonian CfA

Na zdjęciu: NGC 4993, galaktyka, z której pochodzi fala grawitacyjna GW170817, użyta do pomiaru wieku Wszechświata. Źródło: NASA oraz ESA