Astronomowie proponują metodę „syreny widmowej” do zrozumienia ewolucji Wszechświata. Czarna dziura jest miejscem, gdzie informacje znikają – ale naukowcy znaleźli sposób, 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 pomóc nam dowiedzieć się więcej o nieuchwytnych dotąd „nastoletnich” latach Wszechświata.
Kosmiczny władca
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 daje 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. 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 stu par zderzających się czarnych dziur. Sygnał z każdego zderzenia zawiera informacje o tym, jak masywne były obiekty ulegające kolizji. 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, to mogą też obliczyć tempo rozszerzania się Wszechświata. Problemem jest kalibracja: skąd mają wiedzieć, jak bardzo Wszechświat zmienił się on w stosunku do oryginału?
W nowej pracy Daniel Holz i Jose María Ezquiaga sugerują, że mogą wykorzystać nowo zdobytą wiedzę o całej populacji czarnych dziur jako narzędzie kalibracji. Na przykład obecne ustalenia sugerują, że większość wykrytych czarnych dziur ma od 5 do 40 razy większe masy niż nasze Słońce. Mierzymy masy pobliskich czarnych dziur i opisujemy ich właściwości, a następnie patrzymy dalej i ustalamy, jak bardzo te dalsze wydają się być przesunięte – powiedział Ezquiaga. A to daje nam 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 uchylić okno z widokiem na „młodzieńcze lata” Wszechświata – około dziesięciu 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 rozglądać się po galaktykach w pobliżu naszej własnej, aby zbadać nowszą historię Wszechświata. Jednak czas pomiędzy dwoma powyższymi okresami jest trudniejszy do dokładnego zbadania i stanowi obszar szczególnego zainteresowania naukowców.
To mniej więcej w tym niezbadanym okresie przeszliśmy od ciemnej materii, będącej dominującą siłą we Wszechświecie, do ciemnej energii przejmującej władzę, a my jesteśmy bardzo zainteresowani badaniem tego kluczowego przejścia – powiedział Ezquiaga.
Według autorów inną zaletą tej metody jest to, że pozostaje mniejszy obszar niepewności spowodowany lukami w naszej wiedzy. Dzięki wykorzystaniu całej populacji czarnych dziur metoda ta może się samokalibrować, bezpośrednio identyfikując i korygując błędy – powiedział Holz. Inne metody stosowane do obliczania stałej Hubble’a bazują na 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, 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 badaze ze wszystkich czarnych dziur, tym dokładniejsza będzie ta kalibracja. Potrzebujemy najlepiej tysięcy takich sygnałów, i powinniśmy je uzyskać w ciągu następnej dekady lub dwóch – powiedział Holz. Byłaby to niesamowicie potężna metoda poznawania Wszechświata.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Black hole collisions could help us measure how fast the universe is expanding
- Spectral Sirens: Cosmology from the Full Mass Distribution of Compact Binaries
Źródło: University of Chicago
Na ilustracji: Zderzające się czarne dziury. Źródło: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project.
