Η συγχώνευση αστεριών νετρονίων αποκαλύπτει τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος:Μια κοσμολογική ανακάλυψη
Για πολλούς κοσμολόγους, το καλύτερο πράγμα σχετικά με τις συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων είναι ότι αυτά τα γεγονότα κραυγάζουν στο διάστημα ένα κατά τα άλλα κρυμμένο μυστικό του σύμπαντος. Οι επιστήμονες συνδύασαν τα βαρυτικά και ηλεκτρομαγνητικά σήματα από την πρόσφατα ανιχνευθείσα σύγκρουση δύο από αυτά τα αστέρια για να προσδιορίσουν, με πιο καθαρό τρόπο από ό,τι με άλλες προσεγγίσεις, πόσο γρήγορα διαστέλλεται ο ιστός του σύμπαντος — ένας πολύ αμφισβητούμενος αριθμός που ονομάζεται σταθερά Hubble.
Τις ημέρες από τότε που ανακοινώθηκε η σύγκρουση αστεριών νετρονίων, οι ειδικοί του Hubble εξεπλάγησαν όταν βρέθηκαν να συζητούν όχι εάν γεγονότα όπως αυτό θα μπορούσαν να λύσουν τη διαμάχη, αλλά πόσο σύντομα θα μπορούσαν να το κάνουν.
Οι επιστήμονες έχουν συζητήσει έντονα τον κοσμικό ρυθμό διαστολής από το 1929, όταν ο Αμερικανός αστρονόμος Έντουιν Χαμπλ διαπίστωσε για πρώτη φορά ότι το σύμπαν διαστέλλεται — και ότι επομένως είχε μια αρχή. Το πόσο γρήγορα διαστέλλεται αντανακλά αυτό που υπάρχει μέσα του (αφού η ύλη, η σκοτεινή ενέργεια και η ακτινοβολία σπρώχνουν και έλκουν με διαφορετικούς τρόπους) και πόσο παλιό είναι, καθιστώντας την αξία του Hubble σταθερή καθοριστική για την κατανόηση της υπόλοιπης κοσμολογίας.
Και όμως, οι δύο πιο ακριβείς τρόποι μέτρησής του οδηγούν σε διαφορετικές απαντήσεις, με μια περίεργη απόκλιση 8 τοις εκατό που «αυτή τη στιγμή είναι η μεγαλύτερη ένταση στην κοσμολογία», δήλωσε ο Dan Scolnic του Ινστιτούτου Kavli του Πανεπιστημίου του Σικάγο για την Κοσμολογική Φυσική. Η αναντιστοιχία θα μπορούσε να είναι μια ένδειξη ότι οι κοσμολόγοι δεν λαμβάνουν υπόψη σημαντικές λεπτομέρειες που έχουν επηρεάσει την εξέλιξη του σύμπαντος. Αλλά για να δουν αν συμβαίνει αυτό, χρειάζονται έναν ανεξάρτητο έλεγχο των μετρήσεων.
Οι συγκρούσεις άστρων νετρονίων — οι οποίες είναι πρόσφατα ανιχνεύσιμες από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (LIGO) και τους ανιχνευτές Virgo — φαίνεται να είναι ακριβώς το πράγμα.
«Αυτή η πρώτη [σύγκρουση] μας δίνει μια θέση στο τραπέζι της κοσμολογίας», είπε σε ένα email ο Daniel Holz, αστροφυσικός του Πανεπιστημίου του Σικάγο και του LIGO που συμμετείχε κεντρικά στη νέα μέτρηση του Hubble. "Και καθώς παίρνουμε περισσότερα, μπορούμε να περιμένουμε να παίξουμε σημαντικό ρόλο στο πεδίο."
Σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν, όσο πιο μακριά είναι ένα αστρονομικό αντικείμενο, τόσο πιο γρήγορα υποχωρεί. Η σταθερά Hubble λέει πόσο πιο γρήγορα. Ο ίδιος ο Edwin Hubble υπολόγισε ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς 500 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο πιο γρήγορα για κάθε επιπλέον megaparsec απόστασης μεταξύ μας και αυτών (ένα megaparsec είναι περίπου 3,3 εκατομμύρια έτη φωτός). Αυτό ήταν μια κατάφωρη υπερεκτίμηση. Μέχρι τη δεκαετία του 1970, οι αστροφυσικοί ευνοούσαν τις τιμές για τη σταθερά του Hubble γύρω στα 50 ή 100 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec, ανάλογα με τις μεθόδους τους. Καθώς τα λάθη εξαλείφθηκαν, αυτά τα στρατόπεδα συναντήθηκαν κοντά στη μέση. Ωστόσο, τον τελευταίο ενάμιση χρόνο, το πρόβλημα του Hubble έχει αναθερμανθεί. Αυτή τη φορά, 67 ξεχωρίζει έναντι 73.
Η υψηλότερη εκτίμηση των 73 προέρχεται από την παρατήρηση πολλών αστρονομικών αντικειμένων και την εκτίμηση τόσο της απόστασης όσο και της ταχύτητας για το καθένα. Είναι σχετικά εύκολο να δει κανείς πόσο γρήγορα υποχωρεί ένα αστέρι ή ένας γαλαξίας κοιτάζοντας την «κόκκινη μετατόπισή» του - ένα κοκκίνισμα στο χρώμα που συμβαίνει για τον ίδιο λόγο που πέφτει ο ήχος της σειρήνας ενός ασθενοφόρου που υποχωρεί. Διορθώστε την "ιδιόμορφη ταχύτητα" ενός αντικειμένου, που προκαλείται από τη βαρυτική έλξη άλλων αντικειμένων στη γειτονιά του, και σας μένει η ταχύτητα ύφεσης λόγω της κοσμικής διαστολής.
Ιστορικά, ωστόσο, έχει αποδειχθεί πολύ, πολύ πιο δύσκολο να μετρηθεί η απόσταση από ένα αντικείμενο — το άλλο σημείο δεδομένων που απαιτείται για τον υπολογισμό της σταθεράς Hubble.
Για να μετρήσουν πόσο μακριά είναι τα πράγματα, οι αστρονόμοι χτίζουν σκαλοπάτια σε μια «σκάλα κοσμικής απόστασης» στην οποία κάθε βαθμίδα βαθμονομεί πιο απομακρυσμένα σκαλοπάτια. Ξεκινούν συνάγοντας τις αποστάσεις από τα αστέρια στον Γαλαξία χρησιμοποιώντας παράλλαξη - τη φαινομενική κίνηση των άστρων στον ουρανό κατά τη διάρκεια του έτους. Με αυτές τις πληροφορίες, οι αστρονόμοι μπορούν να συμπεράνουν τη φωτεινότητα των αποκαλούμενων αστεριών των Κηφείδων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τα λεγόμενα «τυποποιημένα κεριά», επειδή όλα λάμπουν με μια γνωστή εγγενή φωτεινότητα. Στη συνέχεια εντοπίζουν αυτά τα αστέρια των Κηφείδων σε κοντινούς γαλαξίες και τα χρησιμοποιούν για να υπολογίσουν πόσο μακριά πρέπει να είναι οι γαλαξίες. Στη συνέχεια, οι Κηφείδες χρησιμοποιούνται για τη βαθμονόμηση των αποστάσεων από τους σουπερνόβα τύπου Ia — ακόμη πιο φωτεινά (αν και πιο σπάνια) τυπικά κεριά που μπορούν να φανούν σε μακρινούς γαλαξίες.
Κάθε άλμα από το ένα σκαλί στο επόμενο κινδυνεύει με λάθος υπολογισμό. Και όμως, το 2016, μια ομάδα γνωστή ως SH0ES χρησιμοποίησε την προσέγγιση κλίμακας κοσμικής απόστασης για να κολλήσει τη σταθερά Hubble στο 73,2 με ακρίβεια 2,4 τοις εκατό.
Ωστόσο, σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε την ίδια χρονιά, μια ομάδα χρησιμοποίησε τις παρατηρήσεις του τηλεσκοπίου Planck για το πρώιμο σύμπαν για να λάβει μια τιμή 67,8 για τον τρέχοντα ρυθμό διαστολής — υποτίθεται με ακρίβεια 1 τοις εκατό.
Η ομάδα του Planck ξεκίνησε από το αχνό ψιλόβροχο του αρχαίου φωτός που ονομάζεται κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB), το οποίο αποκαλύπτει το σύμπαν όπως φαινόταν σε μια κρίσιμη στιγμή 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Το στιγμιότυπο CMB απεικονίζει ένα απλό, σχεδόν λείο, γεμάτο πλάσμα νεαρό σύμπαν. Κύματα πίεσης όλων των διαφορετικών μηκών κύματος κυματίζονταν στο πλάσμα, συμπιέζοντάς το και τεντώνοντάς το και δημιουργώντας ανεπαίσθητες διακυμάνσεις πυκνότητας σε διαφορετικές κλίμακες μήκους.
Τη στιγμή που καταγράφηκαν στο CMB, τα κύματα πίεσης με συγκεκριμένα μήκη κύματος θα είχαν υποστεί ακριβώς το σωστό κλάσμα ενός κυματισμού από τη Μεγάλη Έκρηξη και έφτασαν όλα στο μηδέν πλάτος, εξαφανίζοντας στιγμιαία και δημιουργώντας ομαλές πυκνότητες πλάσματος στη σχετική κλίμακα μήκους. Εν τω μεταξύ, τα κύματα πίεσης με άλλα μήκη κύματος κυματίζουν ακριβώς τη σωστή ποσότητα για να κορυφωθούν ακριβώς στο πλάτος την κρίσιμη στιγμή, τεντώνοντας και συμπιέζοντας το πλάσμα στο μέγιστο δυνατό βαθμό και δημιουργώντας μέγιστες διακυμάνσεις πυκνότητας στις σχετικές κλίμακες.
Αυτές οι κορυφές και τα κατώτατα όρια στις διακυμάνσεις της πυκνότητας σε διαφορετικές κλίμακες, που μπορούν να ληφθούν από τηλεσκόπια όπως το Planck και να απεικονιστούν ως το «φάσμα ισχύος CMB», κωδικοποιούν ουσιαστικά τα πάντα σχετικά με το νεαρό σύμπαν. Η σταθερά Hubble, ειδικότερα, μπορεί να ανακατασκευαστεί μετρώντας τις αποστάσεις μεταξύ των κορυφών. «Είναι ένα γεωμετρικό φαινόμενο», εξήγησε ο Λέο Στάιν, ένας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια:Όσο περισσότερο το σύμπαν διαστέλλεται, τόσο περισσότερο το φως από το CMB έχει καμπυλωθεί μέσω του διαστελλόμενου χωροχρόνου και τόσο πιο κοντά μεταξύ τους θα πρέπει να εμφανίζονται οι κορυφές σε εμάς.
Άλλες ιδιότητες της φύσης επηρεάζουν επίσης το πώς καταλήγουν να φαίνονται οι κορυφές, όπως η συμπεριφορά της αόρατης «σκοτεινής ενέργειας» που εμποτίζει τον ιστό του σύμπαντος. Οι επιστήμονες του Planck έπρεπε επομένως να κάνουν υποθέσεις για όλες τις άλλες κοσμολογικές παραμέτρους προκειμένου να καταλήξουν στην εκτίμησή τους 67 για τη σταθερά Hubble.
Η ομοιότητα των δύο μετρήσεων του Hubble «είναι καταπληκτική» λαμβάνοντας υπόψη τις πολύ διαφορετικές προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό τους, είπε η Wendy Freedman, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και πρωτοπόρος της προσέγγισης της κλίμακας κοσμικής απόστασης. Και όμως τα περιθώρια λάθους τους δεν αλληλεπικαλύπτονται. «Το σύμπαν μοιάζει να διαστέλλεται περίπου οκτώ τοις εκατό πιο γρήγορα από ό,τι θα περίμενες, με βάση το πώς φαινόταν στα νιάτα του και πώς αναμένουμε να εξελιχθεί», είπε ο Adam Riess του Πανεπιστημίου Johns Hopkins, ο οποίος ηγήθηκε της ομάδας SH0ES, στο Scientific American πέρυσι. "Πρέπει να το πάρουμε στα σοβαρά αυτό το βλέμμα."
Η διαφορά 67 έναντι 73 θα μπορούσε να οδηγήσει σε ένα άγνωστο σφάλμα στη μία πλευρά ή και στις δύο. Ή μπορεί να είναι πραγματικό και σημαντικό - μια ένδειξη ότι η παρέκταση της ομάδας Planck από το πρώιμο σύμπαν στο παρόν λείπει ένα κοσμικό συστατικό, ένα συστατικό που άλλαξε την πορεία της ιστορίας και οδήγησε σε ταχύτερο ρυθμό επέκτασης από ό,τι αναμενόταν διαφορετικά. Εάν ένας υποτιθέμενος τέταρτος τύπος νετρίνου κατοικούσε στο βρεφικό σύμπαν, για παράδειγμα, αυτό θα είχε αυξήσει την πίεση της ακτινοβολίας και θα είχε επηρεάσει τα πλάτη των κορυφών του CMB. Ή η σκοτεινή ενέργεια, της οποίας η απωστική πίεση επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος, μπορεί να γίνεται πιο πυκνή με την πάροδο του χρόνου.
Ξαφνικά, συγκρούσεις άστρων νετρονίων πραγματοποιήθηκαν για να ρίξουν την αποφασιστική ψήφο.
Τα αστέρια που συντρίβονται χρησιμεύουν ως «τυποποιημένες σειρήνες», όπως τα ονόμασαν οι Holz και Scott Hughes του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης σε ένα έγγραφο του 2005, βασισμένο στο έργο του Bernard Schutz 20 χρόνια νωρίτερα. Στέλνουν ορμές κυματισμών προς τα έξω μέσω του χωροχρόνου που δεν εξασθενούν από αέριο ή σκόνη. Εξαιτίας αυτού, τα βαρυτικά κύματα μεταδίδουν ένα καθαρό αρχείο της δύναμης της σύγκρουσης, το οποίο επιτρέπει στους επιστήμονες να «συμπεράσουν άμεσα την απόσταση από την πηγή», εξήγησε ο Holz. "Δεν υπάρχει κλίμακα απόστασης, ούτε κακώς κατανοητές αστρονομικές βαθμονομήσεις. Ακούτε πόσο δυνατή είναι η [σύγκρουση] και πώς αλλάζει ο ήχος με το χρόνο και συμπεραίνετε άμεσα πόσο μακριά είναι." Επειδή οι αστρονόμοι μπορούν επίσης να ανιχνεύσουν ηλεκτρομαγνητικό φως από συγκρούσεις άστρων νετρονίων, μπορούν να χρησιμοποιήσουν μετατόπιση προς το κόκκινο για να προσδιορίσουν πόσο γρήγορα υποχωρούν τα συγχωνευμένα αστέρια. Η ταχύτητα ύφεσης διαιρούμενη με την απόσταση δίνει τη σταθερά Hubble.
Μόνο από την πρώτη σύγκρουση αστεριών νετρονίων, ο Holz και εκατοντάδες συν-συγγραφείς υπολόγισαν τη σταθερά του Hubble στα 70 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec, δίνουν ή παίρνουν 10. (Η κύρια πηγή αβεβαιότητας είναι ο άγνωστος γωνιακός προσανατολισμός των συγχωνευόμενων άστρων νετρονίων σε σχέση με τους ανιχνευτές LIGO, που επηρεάζει το μετρημένο πρόσημο. σκέτη τύχη που βρισκόμαστε στη μέση», μεταξύ των εκτιμήσεων του Hubble για το cosmic-distance-ladder και το cosmic-microwave-background. «Θα μπορούσαμε εύκολα να μεταφερθούμε στη μία ή την άλλη πλευρά.»
Η ακρίβεια της μέτρησης θα βελτιώνεται σταθερά καθώς ακούγονται περισσότερες τυπικές σειρήνες τα επόμενα χρόνια, ειδικά καθώς το LIGO συνεχίζει να αυξάνεται σε ευαισθησία. Σύμφωνα με τον Holz, «Με περίπου 10 ακόμη γεγονότα σαν αυτό, θα φτάσουμε στο 1 τοις εκατό [του λάθους]», αν και τονίζει ότι αυτή είναι μια προκαταρκτική και συζητήσιμη εκτίμηση. Ο Riess πιστεύει ότι θα χρειαστούν περισσότερες από 30 τυπικές σειρήνες για να φτάσει σε αυτό το επίπεδο. Όλα εξαρτώνται από το πόσο τυχεροί ήταν οι LIGO και Virgo με την πρώτη τους ανίχνευση. «Πιστεύω ότι η μέθοδος έχει τη δυνατότητα να αλλάξει το παιχνίδι», είπε ο Freedman. "Πόσο γρήγορα θα συμβεί αυτό [ή] ποιος θα είναι ο ρυθμός αυτών των αντικειμένων… δεν γνωρίζουμε ακόμη."
Ο Scolnic, ο οποίος ήταν μέλος του SH0ES, είπε ότι η ένταση της ομάδας του με τη μέτρηση του Planck είναι τόσο μεγάλη που «η τυπική προσέγγιση σειρήνας δεν χρειάζεται να φτάσει στο 1 τοις εκατό για να είναι ενδιαφέρουσα».
Καθώς αντηχούν πιο τυπικές σειρήνες, θα ενσωματωθούν σταδιακά στη σταθερά του Hubble μια για πάντα και θα καθορίσουν εάν ο ρυθμός διαστολής συμφωνεί ή όχι με τις προσδοκίες που βασίζονται στο νεαρό σύμπαν. Ο Holz, για ένα, είναι ενθουσιασμένος. "Έχω αφιερώσει την τελευταία δεκαετία της ζωής μου με την ελπίδα να κάνω μια πλοκή:μια τυπική μέτρηση της σειρήνας του Hubble. Πρέπει να φτιάξω την πλοκή του Hubble και είναι όμορφη."
