Seit seiner Gründung vor 13,8 Milliarden Jahren hat sich das Universum weiter ausgedehnt und Hunderte von Milliarden Galaxien und Sternen wie Rosinen in einem schnell aufsteigenden Teig verstreut. Astronomen haben Teleskope auf bestimmte Sterne und andere kosmische Quellen gerichtet, um ihre Entfernung von der Erde und ihre Entfernungsrate zu messen. Diese beiden Parameter werden zur Berechnung der Hubble-Konstante benötigt, einer Maßeinheit, die die Geschwindigkeit beschreibt, mit der sich das Universum ausdehnt.
Bisher ergaben die genauesten Versuche, die Hubble-Konstante zu schätzen, sehr verstreute Werte und ließen keine endgültige Schlussfolgerung darüber zu, wie schnell das Universum wächst. Diese Informationen sollten laut Wissenschaftlern Aufschluss über den Ursprung des Universums und sein Schicksal geben: Wird sich der Kosmos unendlich ausdehnen oder wird er eines Tages schrumpfen?
Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology und der Harvard University haben daher eine genauere und unabhängigere Methode zur Messung der Hubble-Konstante unter Verwendung von Gravitationswellen vorgeschlagen, die von relativ seltenen Systemen emittiert werden: ein Schwarzes Loch des Binärsystems - Neutronenstern, ein energetisches Paar, das durch ein Schwarzes Loch und einen Neutronenstern spiralförmig verdreht ist. Während sich diese Objekte im Tanz bewegen, erzeugen sie Raum-Zeit-zitternde Wellen und einen Lichtblitz, wenn die endgültige Kollision auftritt.
In einem am 12. Juli in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel sagten die Wissenschaftler, der Lichtblitz würde es Wissenschaftlern ermöglichen, die Geschwindigkeit des Systems abzuschätzen, dh wie schnell es sich von der Erde wegbewegt. Die emittierten Gravitationswellen sollten, wenn sie auf der Erde erfasst werden, eine unabhängige und genaue Messung der Entfernung zum System ermöglichen. Trotz der Tatsache, dass binäre Systeme aus Schwarzen Löchern und Neutronensternen unglaublich selten sind, schätzen Wissenschaftler, dass die Entdeckung selbst einiger weniger die genaueste Schätzung der Hubble-Konstante und der Expansionsrate des Universums bis heute liefert.
„Binäre Systeme aus Schwarzen Löchern und Neutronensternen sind sehr komplexe Systeme, über die wir nur sehr wenig wissen“, sagt Salvatore Vitale, Associate Professor für Physik am MIT und Hauptautor der Arbeit. "Wenn wir einen finden, wird der Preis unser radikaler Durchbruch beim Verständnis des Universums sein."
Vitale ist Co-Autor von Hsin-Yu Chen aus Harvard.
Werbevideo:
Konkurrierende Konstanten
Kürzlich wurden zwei unabhängige Messungen der Hubble-Konstante durchgeführt, eine mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA und die andere mit dem Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation. Hubbles Messung basierte auf Beobachtungen eines Sterns, der als Cepheid-Variable bekannt ist, sowie Beobachtungen von Supernovae. Beide Objekte werden als "Standardkerzen" für die Vorhersagbarkeit der Helligkeit betrachtet, anhand derer Wissenschaftler die Entfernung zu einem Stern und seine Geschwindigkeit abschätzen.
Eine andere Art der Bewertung basiert auf Beobachtungen von Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund - elektromagnetischer Strahlung, die nach dem Urknall zurückblieb, als das Universum noch in den Kinderschuhen steckte. Obwohl die Beobachtungen beider Sonden äußerst genau sind, unterscheiden sich ihre Schätzungen der Hubble-Konstante stark.
„Und hier kommt LIGO ins Spiel“, sagt Vitale.
LIGO, oder laserinterferometrisches Gravitationswellenobservatorium, sucht nach Gravitationswellen - Wellen auf dem Gewebe der Raumzeit, die als Ergebnis astrophysikalischer Kataklysmen entstehen.
„Gravitationswellen bieten eine sehr einfache und einfache Möglichkeit, Entfernungen zu ihren Quellen zu messen“, sagt Vitale. "Was wir bei LIGO gefunden haben, ist ein direkter Abdruck der Entfernung zur Quelle ohne weitere Analyse."
2017 hatten Wissenschaftler erstmals die Möglichkeit, die Hubble-Konstante aus einer Gravitationswellenquelle abzuschätzen, als LIGO und sein italienisches Gegenstück Virgo zum ersten Mal in der Geschichte ein Paar kollidierender Neutronensterne entdeckten. Diese Kollision setzte eine große Menge von Gravitationswellen frei, die Wissenschaftler gemessen haben, um die Entfernung von der Erde zum System zu bestimmen. Die Fusion strahlte auch einen Lichtblitz aus, den Astronomen mit bodengestützten Teleskopen und Weltraumteleskopen analysieren konnten, um die Geschwindigkeit des Systems zu bestimmen.
Nachdem beide Messungen durchgeführt worden waren, berechneten die Wissenschaftler einen neuen Wert für die Hubble-Konstante. Die Schätzung ergab jedoch eine relativ große Unsicherheit von 14%, die viel unsicherer war als die mit Hubble und Planck berechneten Werte.
Laut Vitale beruht ein Großteil der Unsicherheit auf der Tatsache, dass die Interpretation der Entfernung von einem binären System zur Erde unter Verwendung der von diesem System erzeugten Gravitationswellen schwierig ist.
„Wir messen die Entfernung, indem wir uns ansehen, wie laut die Gravitationswelle ist, dh wie sauber unsere Daten darüber sein werden“, sagt Vitale. „Wenn alles klar ist, kann man sehen, dass es laut ist und die Entfernung bestimmen. Dies gilt jedoch nur teilweise für binäre Systeme."
Tatsache ist, dass diese Systeme, die eine wirbelnde Energiescheibe erzeugen, während sich der Tanz zweier Neutronensterne entwickelt, Gravitationswellen ungleichmäßig aussenden. Die meisten Gravitationswellen werden von der Mitte der Scheibe aus geschossen, während viel weniger von den Rändern herausgeschossen werden. Wenn Wissenschaftler ein „lautes“Gravitationswellensignal erkennen, kann dies auf eines von zwei Szenarien hinweisen: Die erkannten Wellen werden an den Rändern eines Systems geboren, das sehr nahe an der Erde liegt, oder die Wellen kommen aus dem Zentrum eines viel weiter entfernten Systems.
„Bei binären Sternensystemen ist es sehr schwierig, zwischen den beiden Situationen zu unterscheiden“, sagt Vitale.
Neue Welle
Noch bevor LIGO die ersten Gravitationswellen entdeckte, beobachteten Vitale und seine Kollegen 2014, dass ein binäres System aus einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern eine genauere Entfernungsmessung liefern könnte als binäre Neutronensterne. Das Team untersuchte, wie genau die Rotation eines Schwarzen Lochs gemessen werden kann, vorausgesetzt, diese Objekte drehen sich wie die Erde nur schneller um ihre Achse.
Die Forscher haben verschiedene Schwarzlochsysteme modelliert, darunter Schwarzloch-Neutronensternsysteme und binäre Neutronensternsysteme. Dabei wurde festgestellt, dass der Abstand zu den Schwarzloch-Neutronensternsystemen genauer bestimmt werden kann als zu Neutronensternen. Laut Vitale ist dies auf die Drehung des Schwarzen Lochs um den Neutronenstern zurückzuführen, da hiermit besser bestimmt werden kann, woher die Gravitationswellen im System kommen.
„Aufgrund der genaueren Entfernungsmessung dachte ich, dass binäre Schwarzloch-Neutronensternsysteme ein besserer Bezugspunkt für die Messung der Hubble-Konstante sein könnten“, sagt Vitale. "Seitdem ist mit LIGO viel passiert und Gravitationswellen wurden entdeckt, sodass alles in den Hintergrund trat."
Vitale ist kürzlich zu seiner ursprünglichen Beobachtung zurückgekehrt.
„Bisher haben die Menschen binäre Neutronensterne bevorzugt, um die Hubble-Konstante mithilfe von Gravitationswellen zu messen“, sagt Vitale. „Wir haben gezeigt, dass es eine andere Art von Gravitationswellenquelle gibt, die zuvor noch nicht vollständig genutzt wurde: Schwarze Löcher und herumtanzende Neutronensterne. LIGO wird im Januar 2019 wieder mit der Datenerfassung beginnen und wird viel empfindlicher sein, was bedeutet, dass wir weiter entfernte Objekte sehen können. Daher wird LIGO in der Lage sein, mindestens ein System aus einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern oder besser alle fünfundzwanzig zu sehen, und dies wird hoffentlich dazu beitragen, die bestehende Spannung bei der Messung der Hubble-Konstante in den nächsten Jahren aufzulösen.
Ilya Khel