Od svého vzniku před 13,8 miliardami let se vesmír stále rozšiřoval a rozptyloval stovky miliard galaxií a hvězd jako rozinky v rychle rostoucím těstě. Astronomové namířili dalekohledy na určité hvězdy a další kosmické zdroje, aby změřily jejich vzdálenost od Země a rychlost jejich odstraňování - dva parametry, které jsou potřebné k výpočtu Hubblovy konstanty, měrná jednotka, která popisuje rychlost, jakou se vesmír rozpíná.
Ale doposud nejpřesnější pokusy odhadnout Hubblovu konstantu poskytly velmi rozptýlené hodnoty a neumožnily učinit konečný závěr o tom, jak rychle vesmír roste. Tato informace by podle vědců měla osvětlit původ vesmíru a jeho osud: bude se vesmír nekonečně rozšiřovat nebo se jednoho dne zmenší?
Vědci z Massachusetts Institute of Technology a Harvard University proto navrhli přesnější a nezávislejší způsob měření Hubblovy konstanty pomocí gravitačních vln vyzařovaných relativně vzácnými systémy: binární systém černá díra-neutronová hvězda, energetický pár zkroucený ve spirále černou dírou a neutronová hvězda. Jak se tyto objekty pohybují v tanci, vytvářejí časoprostorové třesoucí se vlny a záblesk světla, když dojde ke konečné srážce.
V příspěvku publikovaném 12. července v Physical Review Letters vědci uvedli, že záblesk světla umožní vědcům odhadnout rychlost systému, tj. Jak rychle se pohybuje od Země. Vyzařované gravitační vlny, pokud jsou zachyceny na Zemi, by měly poskytovat nezávislé a přesné měření vzdálenosti k systému. Navzdory skutečnosti, že binární systémy černých děr a neutronových hvězd jsou neuvěřitelně vzácné, vědci odhadují, že objev dokonce jen několika z nich povede k nejpřesnějšímu odhadu Hubbleovy konstanty a dosavadní rychlosti rozpínání vesmíru.
"Binární systémy černých děr a neutronových hvězd jsou velmi složité systémy, o kterých víme velmi málo," říká Salvatore Vitale, docent fyziky na MIT a hlavní autor článku. „Pokud nějakou najdeme, cenou bude náš radikální průlom v porozumění vesmíru.“
Spoluautorem Vitale je Hsin-Yu Chen z Harvardu.
Propagační video:
Konkurenční konstanty
Nedávno byla provedena dvě nezávislá měření Hubblovy konstanty, jedno pomocí Hubblova kosmického dalekohledu NASA a druhé pomocí planckového satelitu Evropské vesmírné agentury. Hubblovo měření bylo založeno na pozorování hvězdy známé jako cefeidská proměnná a také na pozorování supernov. Oba tyto objekty jsou považovány za „standardní svíčky“pro předvídatelnost jasu, podle nichž vědci odhadují vzdálenost k hvězdě a její rychlost.
Další typ hodnocení je založen na pozorování kolísání kosmického mikrovlnného pozadí - elektromagnetického záření, které zůstalo po Velkém třesku, když byl vesmír ještě v plenkách. Ačkoli jsou pozorování obou sond extrémně přesná, jejich odhady Hubblovy konstanty se velmi liší.
"A právě tady vstupuje do hry LIGO," říká Vitale.
LIGO neboli laserová interferometrická observatoř gravitačních vln hledá gravitační vlny - vlnky na struktuře časoprostoru, která se rodí v důsledku astrofyzikálních kataklyzmat.
"Gravitační vlny poskytují velmi jednoduchý a snadný způsob měření vzdáleností k jejich zdrojům," říká Vitale. „To, co jsme našli u LIGO, je přímý otisk vzdálenosti ke zdroji bez jakékoli další analýzy.“
V roce 2017 dostali vědci první šanci odhadnout Hubblovou konstantu ze zdroje gravitačních vln, když LIGO a jeho italský protějšek Panna objevili dvojici srážejících se neutronových hvězd poprvé v historii. Tato srážka uvolnila obrovské množství gravitačních vln, které vědci změřili, aby určili vzdálenost od Země k systému. Sloučení také vyzařovalo záblesk světla, který astronomové dokázali analyzovat pozemními a kosmickými dalekohledy a určit rychlost systému.
Po získání obou měření vědci vypočítali novou hodnotu pro Hubbleovu konstantu. Odhad však přišel s relativně velkou nejistotou 14%, mnohem nejistější než hodnoty vypočítané pomocí Hubbleova a Planckova.
Vitale říká, že velká část nejistoty pramení ze skutečnosti, že interpretace vzdálenosti od binárního systému k Zemi je obtížná pomocí gravitačních vln generovaných tímto systémem.
"Měříme vzdálenost tím, že se díváme na to, jak 'hlasitě' je gravitační vlna, to znamená, jak čistá budou naše data," říká Vitale. "Pokud je vše jasné, můžete vidět, že je to nahlas, a určit vzdálenost." U binárních systémů to ale platí jen částečně. “
Faktem je, že tyto systémy, které při vývoji tance dvou neutronových hvězd generují vířící disk energie, vyzařují gravitační vlny nerovnoměrně. Většina gravitačních vln je vystřelena ze středu disku, mnohem méně z okrajů. Pokud vědci detekují „hlasitý“signál gravitačních vln, může to znamenat jeden ze dvou scénářů: detekované vlny se rodí na okrajích systému, který je velmi blízko k Zemi, nebo vlny pocházejí ze středu mnohem vzdálenějšího systému.
"V případě binárních hvězdných systémů je velmi obtížné rozlišit mezi těmito dvěma situacemi," říká Vitale.
Nová vlna
V roce 2014, ještě předtím, než LIGO objevilo první gravitační vlny, Vitale a jeho kolegové zjistili, že binární systém černé díry a neutronové hvězdy může poskytnout přesnější měření vzdálenosti než binární neutronové hvězdy. Tým studoval, jak přesně lze měřit rotaci černé díry za předpokladu, že se tyto objekty otáčejí kolem své osy, stejně jako Země, jen rychleji.
Vědci modelovali různé systémy černé díry, včetně systémů neutrálních hvězd černé díry a systémů binárních neutronových hvězd. Po cestě bylo zjištěno, že vzdálenost k systémům černá díra - neutronové hvězdy lze určit přesněji než k neutronovým hvězdám. Vitale říká, že je to způsobeno rotací černé díry kolem neutronové hvězdy, protože to pomáhá lépe určit, odkud gravitační vlny v systému pocházejí.
"Vzhledem k přesnějšímu měření vzdálenosti jsem si myslel, že binární hvězdné systémy s neutrálními černými děrami mohou být lepším referenčním bodem pro měření Hubblovy konstanty," říká Vitale. „Od té doby se s LIGO stalo hodně a byly objeveny gravitační vlny, takže to všechno ustoupilo do pozadí.“
Vitale se nedávno vrátil ke svému původnímu pozorování.
"Doposud lidé preferovali binární neutronové hvězdy jako způsob měření Hubblovy konstanty pomocí gravitačních vln," říká Vitale. "Ukázali jsme, že existuje další typ zdroje gravitačních vln, který nebyl dosud plně využit: černé díry a neutronové hvězdy tančící kolem." LIGO začne znovu shromažďovat data v lednu 2019 a bude mnohem citlivější, což znamená, že můžeme vidět vzdálenější objekty. Proto bude LIGO vidět alespoň jeden systém černé díry a neutronové hvězdy, nebo lépe všech dvacet pět, a to snad v příštích několika letech pomůže vyřešit stávající napětí v měření Hubblovy konstanty.
Ilya Khel