Een supernova-explosie en ruimte-tijdfluctuaties gegenereerd door de fusie van twee neutronensterren hebben wetenschappers geholpen om de uitbreidingssnelheid van het universum nauwkeurig te meten. Toekomstige metingen van dit soort zullen helpen bij het oplossen van de belangrijkste paradox van de kosmologie, zeggen wetenschappers in het tijdschrift Nature Astronomy.
Al in 1929 bewees de beroemde astronoom Edwin Hubble dat ons universum niet stilstaat, maar zich geleidelijk uitbreidt. Aan het einde van de vorige eeuw ontdekten astrofysici, terwijl ze type I supernovae observeerden, dat het niet met een constante snelheid maar met versnelling uitzet. De reden hiervoor wordt tegenwoordig beschouwd als "donkere energie" - een mysterieuze substantie die ruimte-tijd sneller en sneller doet rekken.
In juni 2016 berekenden Nobelprijswinnaar Adam Riess en zijn collega's, die dit fenomeen ontdekten, de exacte uitbreidingssnelheid van het universum van vandaag met behulp van variabele cepheïden in de Melkweg en aangrenzende sterrenstelsels, waarvan de afstand met ultrahoge precisie kan worden berekend.
Deze verfijning leverde een buitengewoon onverwacht resultaat op: het bleek dat twee sterrenstelsels, gescheiden door een afstand van ongeveer 3 miljoen lichtjaar, zich verspreiden met een snelheid van ongeveer 73 kilometer per seconde. Dit jaar publiceerden ze bijgewerkte observatieresultaten, waarin deze waarde zelfs nog hoger werd - 74 kilometer per seconde.
De nieuwe metingen van Riesz en zijn collega's bleken bijna 10% hoger te zijn dan de gegevens die zijn verkregen met behulp van de WMAP en Planck-telescopen in een baan om de aarde - 69 kilometer per seconde, en het kan niet worden verklaard met onze huidige ideeën over de aard van donkere energie en het mechanisme van de geboorte van het heelal.
Deze verschillen hebben kosmologen ertoe gebracht na te denken over twee mogelijke manieren om deze anomalie te verklaren. Enerzijds is het heel goed mogelijk dat de metingen van Planck of Riesz en zijn collega's onjuist of onvolledig zijn. Aan de andere kant is het heel acceptabel dat er een derde ‘donkere’ substantie, die verschilt van donkere materie en energie, in het vroege heelal zou kunnen bestaan, en dat de laatste onstabiel zou kunnen zijn en geleidelijk kan vervallen.
Kenta Hotokezaka van Princeton University (VS) en zijn collega's maakten dit probleem nog acuter en controversiëler door de eerste relatief nauwkeurige metingen van de expansiesnelheid van het heelal uit te voeren met behulp van het LIGO-zwaartekrachtobservatorium en een aantal "conventionele" optische telescopen.
De eerste metingen van dit soort, zoals de astrofysicus opmerkt, hebben wetenschappers eind 2017 uitgevoerd, toen LIGO een uitbarsting registreerde die werd gegenereerd door de fusie van twee neutronensterren, en honderden grond- en ruimtetelescopen de bron ervan konden lokaliseren in het sterrenstelsel NGC 4993 in het sterrenbeeld Hydra.
Promotie video:
De eerste LIGO-metingen kwamen dicht in de buurt van de gegevens die door het Riesz-team waren verkregen, en veel wetenschappers beschouwden dit als verder bewijs dat de uitbreidingssnelheid van het universum aanzienlijk zou kunnen zijn veranderd. Hotokezaka en zijn collega's hebben ontdekt dat dit niet noodzakelijk het geval is door niet alleen gravitatiegolven te volgen, maar ook de lichtflits en het vrijkomen van materie die door deze ramp wordt gegenereerd.
Bij deze waarnemingen werden wetenschappers geholpen door het feit dat deze stroom gloeiend plasma, een straal in de taal van natuurkundigen, niet rechtstreeks op de aarde was gericht, maar er enigszins van af. Dankzij dit lijkt het waarnemers op onze planeet dat het ongeveer vier keer sneller beweegt dan de snelheid van het licht, en daarmee de relativiteitstheorie "schendt", zoals een zonnestraal of een schaduw.
Deze eigenschap van emissies, gekoppeld aan metingen van de "dikte" van de straal bij het beginpunt, maakt het mogelijk om zeer nauwkeurig te bepalen in welke richting hij gericht was ten opzichte van de aarde en om zijn snelheid te meten. Al deze gegevens stellen ons op hun beurt in staat om de afstand tot de bron van zwaartekrachtgolven te specificeren en nauwkeuriger te berekenen hoeveel ze "uitgerekt" waren tijdens de reis van het sterrenstelsel NGC 4993 naar de aarde.
Dergelijke verfijningen brachten, zoals Hotokezaka opmerkt, een grote verrassing: de waarde van de Hubble-constante kwam niet dichter bij de metingen van Riesz en zijn collega's, maar bij de resultaten van Planck en andere telescopen die de microgolfecho van de oerknal waarnamen.
Aan de ene kant kan dit echt betekenen dat de Nobelprijswinnaar en zijn collega's het bij het verkeerde eind hebben, maar aan de andere kant is de nauwkeurigheid van "gravitationele" metingen nog steeds merkbaar lager - het is ongeveer 7% dan die van die en andere deelnemers van dit universele geschil (minder dan 2%). De huidige resultaten, benadrukt de wetenschapper, komen overeen met beide theorieën, maar de situatie zal in de zeer nabije toekomst veranderen.
Volgens de huidige schattingen van de wetenschappelijke teams van LIGO en zijn Italiaanse "neef" ViRGO, zouden beide zwaartekrachtobservatoria ongeveer tien van dergelijke gebeurtenissen per jaar moeten vinden. Dienovereenkomstig kunnen we in de komende 2-3 jaar hopen dat waarnemingen van versmeltingen van neutronensterren ons zullen helpen ondubbelzinnig te ontdekken of er een "nieuwe fysica" in de uitbreiding van het heelal zit of niet, concluderen de auteurs van het artikel.
