Sinds de oprichting 13,8 miljard jaar geleden is het universum blijven uitbreiden en honderden miljarden sterrenstelsels en sterren als rozijnen verstrooid in een snel rijzend deeg. Astronomen hebben telescopen gericht op bepaalde sterren en andere kosmische bronnen om hun afstand tot de aarde en hun verwijderingssnelheid te meten, twee parameters die nodig zijn om de Hubble-constante te berekenen, een maateenheid die de snelheid beschrijft waarmee het universum uitdijt.
Maar tot nu toe leverden de meest nauwkeurige pogingen om de Hubble-constante te schatten zeer verspreide waarden op en lieten ze geen definitieve conclusie trekken over hoe snel het universum groeit. Deze informatie zou, volgens wetenschappers, licht moeten werpen op de oorsprong van het heelal en op zijn lot: zal de kosmos oneindig uitdijen of zal het ooit krimpen?
En dus hebben wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology en de Harvard University een nauwkeuriger en onafhankelijkere manier voorgesteld om de Hubble-constante te meten met behulp van zwaartekrachtgolven die worden uitgezonden door relatief zeldzame systemen: een zwart gat-neutronenster-binair systeem, een energetisch paar dat in een spiraal wordt gedraaid door een zwart gat en een neutronenster. Terwijl deze objecten in de dans bewegen, creëren ze trillende golven in de ruimte en een lichtflits wanneer de laatste botsing plaatsvindt.
In een artikel dat op 12 juli in Physical Review Letters werd gepubliceerd, meldden de wetenschappers dat de uitbarsting van licht wetenschappers in staat zal stellen de snelheid van het systeem te schatten, dat wil zeggen, hoe snel het zich van de aarde verwijdert. De uitgezonden zwaartekrachtsgolven, indien opgevangen op aarde, zouden een onafhankelijke en nauwkeurige meting van de afstand tot het systeem moeten opleveren. Ondanks het feit dat binaire systemen van zwarte gaten en neutronensterren ongelooflijk zeldzaam zijn, schatten wetenschappers dat de ontdekking van zelfs maar een paar ervan de meest nauwkeurige schatting zal geven van de Hubble-constante en de uitbreidingssnelheid van het universum tot nu toe.
"Binaire systemen van zwarte gaten en neutronensterren zijn zeer complexe systemen waar we heel weinig vanaf weten", zegt Salvatore Vitale, universitair hoofddocent natuurkunde aan het MIT en hoofdauteur van het artikel. "Als we er een vinden, wordt de prijs onze radicale doorbraak in het begrijpen van het universum."
Vitale is co-auteur van Hsin-Yu Chen van Harvard.
Promotie video:
Concurrerende constanten
Twee onafhankelijke metingen van de Hubble-constante zijn onlangs uitgevoerd, de ene met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en de andere met behulp van de Planck-satelliet van de European Space Agency. De meting van Hubble was gebaseerd op waarnemingen van een ster die bekend staat als de Cepheid-variabele, evenals op waarnemingen van supernovae. Beide objecten worden beschouwd als "standaardkaarsen" vanwege de voorspelbaarheid van de helderheid, waarmee wetenschappers de afstand tot een ster en zijn snelheid schatten.
Een ander type beoordeling is gebaseerd op waarnemingen van fluctuaties in de kosmische microgolfachtergrond - elektromagnetische straling die bleef na de oerknal, toen het universum nog in de kinderschoenen stond. Hoewel de waarnemingen van beide sondes buitengewoon nauwkeurig zijn, verschillen hun schattingen van de Hubble-constante sterk.
"En hier komt LIGO om de hoek kijken", zegt Vitale.
LIGO, of laser-interferometrische gravitatiegolfobservatorium, zoekt naar zwaartekrachtgolven - rimpelingen op het weefsel van ruimte-tijd, dat ontstaat als gevolg van astrofysische rampen.
"Zwaartekrachtgolven bieden een zeer eenvoudige en gemakkelijke manier om afstanden tot hun bronnen te meten", zegt Vitale. "Wat we bij LIGO hebben gevonden, is een directe afdruk van de afstand tot de bron, zonder verdere analyse."
In 2017 kregen wetenschappers hun eerste kans om de Hubble-constante te schatten op basis van een bron van zwaartekrachtgolven toen LIGO en zijn Italiaanse tegenhanger Virgo voor het eerst in de geschiedenis een paar botsende neutronensterren ontdekten. Deze botsing bracht een enorme hoeveelheid zwaartekrachtgolven vrij, die wetenschappers maten om de afstand van de aarde tot het systeem te bepalen. De fusie zond ook een uitbarsting van licht uit, die astronomen konden analyseren met grond- en ruimtetelescopen om de snelheid van het systeem te bepalen.
Na beide metingen te hebben verkregen, berekenden de wetenschappers een nieuwe waarde voor de Hubble-constante. De schatting kwam echter met een relatief grote onzekerheid van 14%, veel onzekerder dan de waarden berekend met Hubble en Planck.
Vitale zegt dat veel van de onzekerheid voortkomt uit het feit dat het interpreteren van de afstand van een binair systeem tot de aarde moeilijk is met behulp van de zwaartekrachtgolven die door dat systeem worden gegenereerd.
"We meten afstand door te kijken naar hoe 'luid' de zwaartekrachtgolf is, dat wil zeggen, hoe schoon onze gegevens erover zullen zijn", zegt Vitale. “Als alles duidelijk is, kun je zien dat het luid is en de afstand bepalen. Maar dit is slechts gedeeltelijk waar voor binaire systemen."
Feit is dat deze systemen, die een wervelende schijf van energie genereren terwijl de dans van twee neutronensterren zich ontwikkelt, zwaartekrachtgolven ongelijkmatig uitzenden. De meeste zwaartekrachtgolven worden vanuit het midden van de schijf afgeschoten, terwijl veel minder vanaf de randen worden afgeschoten. Als wetenschappers een "luid" zwaartekrachtsgolfsignaal detecteren, kan dit wijzen op een van de twee scenario's: de gedetecteerde golven worden geboren aan de randen van een systeem dat heel dicht bij de aarde staat, of de golven komen uit het centrum van een veel verder gelegen systeem.
"In het geval van binaire stellaire systemen is het erg moeilijk om onderscheid te maken tussen deze twee situaties", zegt Vitale.
Nieuwe golf
In 2014, zelfs voordat LIGO de eerste zwaartekrachtgolven ontdekte, merkten Vitale en zijn collega's op dat een binair systeem van een zwart gat en een neutronenster een nauwkeurigere afstandsmeting zou kunnen opleveren dan binaire neutronensterren. Het team onderzocht hoe nauwkeurig de rotatie van een zwart gat kan worden gemeten, op voorwaarde dat deze objecten om hun as draaien, net als de aarde, maar dan sneller.
Onderzoekers hebben verschillende zwart-gatensystemen gemodelleerd, waaronder neutronensterrenstelsels met zwarte gaten en binaire neutronensterrenstelsels. Onderweg werd ontdekt dat de afstand tot het zwart gat - neutronensterrenstelsels nauwkeuriger kan worden bepaald dan tot neutronensterren. Vitale zegt dat dit komt door het draaien van het zwarte gat rond de neutronenster, omdat het helpt om beter te bepalen waar de zwaartekrachtgolven vandaan komen in het systeem.
"Vanwege de nauwkeurigere afstandsmeting, dacht ik dat binaire zwart-gat-neutronensterrenstelsels een geschikter referentiepunt zouden kunnen zijn voor het meten van de Hubble-constante", zegt Vitale. "Sindsdien is er veel gebeurd met LIGO en zijn er zwaartekrachtgolven ontdekt, dus het is allemaal naar de achtergrond verdwenen."
Vitale is onlangs teruggekeerd naar zijn oorspronkelijke observatie.
"Tot nu toe hebben mensen de voorkeur gegeven aan binaire neutronensterren als een manier om de Hubble-constante te meten met zwaartekrachtgolven", zegt Vitale. “We hebben aangetoond dat er een ander type bron van zwaartekrachtgolven is dat nog niet eerder volledig is benut: zwarte gaten en ronddansen neutronensterren. LIGO begint in januari 2019 weer met het verzamelen van gegevens en zal veel gevoeliger zijn, wat betekent dat we verder weg gelegen objecten kunnen zien. Daarom zal LIGO in staat zijn om ten minste één systeem van een zwart gat en een neutronenster te zien, en bij voorkeur alle vijfentwintig, en dit zal hopelijk in de komende jaren helpen de bestaande spanning bij het meten van de Hubble-constante op te lossen.
Ilya Khel