Neutronensterren schreeuwen in golven van ruimtetijd wanneer ze sterven, en astronomen hebben een plan opgesteld om hun zwaartekrachtgordijn te gebruiken om de geschiedenis van het universum te volgen. Ga met ons mee terwijl we onderzoeken hoe we hun pijn kunnen omzetten in onze kosmologische winst.
Kosmologen zijn geobsedeerd door normen. De reden voor deze obsessie ligt in hun moeizame pogingen om extreme afstanden in ons universum te meten. Kijk naar een willekeurige ster of melkweg. Hoe ver is het? Is het dichterbij of verder dan een ster of sterrenstelsel ernaast? Wat als de ene helderder of zwakker is dan de andere?
Dit is een vrij hopeloze situatie, tenzij de kosmos bezaaid is met standaard dingen - objecten met bekende eigenschappen. Stel je voor dat er 100 watt gloeilampen of meterstokken in het universum zaten. Als we die gloeilampen of meterstokken konden zien, zouden we het kunnen vergelijken hoeze kijken naar ons hier op aarde naar wat weweten ze zien er van dichtbij en persoonlijk uit. Als we een gloeilamp in het universum zien en weten dat het dezelfde helderheid zou moeten zijn als een standaard 100 watt lamp, dan kunnen we wat trigonometrie doen om de afstand tot die lamp te elimineren. Hetzelfde geldt voor de stok: als we een willekeurige stok zien rondzweven en weten dat deze precies één meter lang zou moeten zijn, kunnen we de lengte in ons gezichtsveld vergelijken en de afstand ermee berekenen.
Natuurlijk zouden gloeilampen en meterstokken voor slechte kosmologische sondes zorgen, omdat ze zwak en klein zijn. Voor serieus werk hebben we slimme dingen, grote dingen en gewone dingen nodig. En er zijn maar heel weinig van deze standaarden in het universum: Type 1a supernova dienen als "standaardkaarsen" en baryon akoestische oscillaties (een overblijfsel ingebakken in de distributie van sterrenstelsels die zijn achtergebleven uit het vroege universum, en het onderwerp van een ander artikel) kunnen dienen als een "standaard liniaal".
Maar we zullen meer nodig hebben dan kaarsen en stokken om ons uit het huidige kosmologische raadsel te halen waarin we ons bevinden.
We leven in een groeiend universum. Melkwegstelsels komen elke dag verder van elkaar af (gemiddeld kunnen er nog "kleinschalige" botsingen en groeperingen zijn). En de expansiesnelheid van ons universum is veranderd in de afgelopen 13,8 miljard jaar kosmische geschiedenis. Het universum bestaat uit een heleboel verschillende karakters: straling, sterren, gas, rare dingen zoals neutrino's, vreemdere dingen zoals donkere materie en raarste dingen zoals donkere energie. Als elk van deze componenten wordt ingeschakeld, uitgeschakeld, begint te domineren of stopt met domineren, verschuift de uitbreidingssnelheid van het universum op zijn beurt.
Lang geleden, in de goede oude tijd, was materie de baas van het universum. Dus naarmate het universum zich uitbreidde, vertraagde die expansie door het constante zwaartekracht trekken van al die materie. Maar toen werd de zaak te verspreid, te dun en te zwak om de kosmos te beheersen.
Ongeveer vijf miljard jaar geleden nam donkere energie de controle over, omkeerde de lichte vertraging van de uitdijing van het universum en duwde het bloemblad naar het metaal, waardoor de uitdijing van het universum niet alleen doorging, maar versnelde. Donkere energie - wat dat ook is - zet haar sinistere dominantie van de kosmos tot op de dag van vandaag voort.
Het is van cruciaal belang om de uitbreidingssnelheid van het universum te metennu - aangezien de expansiesnelheid is gekoppeld aan de inhoud van het universum, vertelt het meten van de expansiesnelheid vandaag wie de belangrijkste kosmologische spelers zijn en hun relatieve belang. We kunnen de uitbreidingssnelheid van vandaag, bekend als de Hubble-constante, op veel manieren meten, zoals met stokjes en kaarsen.
En hierin schuilt een verrassende spanning. Metingen van de Hubble-constante vanuit het nabije universum met behulp van zaken als supernova geven een bepaalde waarde. Maar metingen van het vroege heelal die de kosmische microgolfachtergrond gebruiken, leiden ook tot beperkingen op de hedendaagse Hubble-constante, en deze metingen zijn niet helemaal met elkaar eens.
Een plakkerig probleem: twee onafhankelijke methoden om hetzelfde aantal te meten, leiden tot verschillende resultaten. Het kan een teken zijn van geheel nieuwe fysica of gewoon slecht begrepen waarnemingen. Maar hoe dan ook, terwijl sommige kosmologen deze situatie als een uitdaging zien, zien anderen het als een kans. Wat we nodig hebben, zijn meer metingen, en vooral metingen die volledig onafhankelijk zijn van de bestaande. We hebben standaardlinialen en standaardkaarsen, dus wat dacht je van ... standaardsirenes.
Natuurlijk waarom niet.
De kakofonische zwaartekrachtsgolven die opblazen vanaf de laatste momenten van de botsingen van twee neutronensterren, bevatten sappige kosmologische informatie. Omdat we hun fysica heel goed begrijpen, kunnen we de ultraprecieze structuur van de zwaartekrachtsgolven bestuderen om te weten hoe hard (in zwaartekracht, niet in geluid, maar je zult gewoon met de metafoor moeten rollen) ze schreeuwden toen ze botsten . Dan kunnen we dat vergelijken met hoe hard ze hier op aarde klinken, en voila: een afstand.
Deze techniek heeft al een (relatief ruwe) meting van de Hubble-constante opgeleverd van de enige waargenomen neutronensterfusie.
Maar dat mag niet de laatste doodskreet van een neutronenster zijn die we horen. We verwachten (hopen?) De komende jaren nog tientallen te vangen. En bij elke botsing kunnen we een betrouwbare afstand tot de vurige gebeurtenis bepalen en de expansiegeschiedenis van het universum sinds hun ondergang van de neutronie meten, waardoor een heel ander spoor ontstaat om de waarde van de constante van Hubble te onthullen.
Kosmologen van de Universiteit van Chicago voorspelden dat de techniek van standaardsirenes binnen vijf jaar metingen zal opleveren die concurrerend zijn met bestaande methoden. Maar als het gaat om het grote kosmologische debat van de 21e eeuw, blijft de vraag: zullen standaardsirenes de beslissende factor zijn, of alleen het mysterie verdiepen?
Lees meer: “Een constante Hubble-meting van 2 procent binnen 5 jaar binnen standaard sirenes”
