Od svog nastanka prije 13,8 milijardi godina, svemir se nastavio širiti, raspršujući stotine milijardi galaksija i zvijezda poput grožđica u tijestu koje se brzo dizalo. Astronomi su usmjerili teleskope na određene zvijezde i druge kozmičke izvore kako bi izmjerili njihovu udaljenost od Zemlje i brzinu uklanjanja - dva parametra potrebna za izračunavanje Hubbleove konstante, jedinice mjere koja opisuje brzinu širenja svemira.
Ali do danas, najtočniji pokušaji procjene Hubbleove konstante dali su vrlo raspršene vrijednosti i nisu dopuštali konačan zaključak o tome kako brzo svemir raste. Prema informacijama znanstvenika, ove bi informacije trebale rasvijetliti podrijetlo Svemira i njegovu sudbinu: hoće li se kozmos beskonačno širiti ili će se jednog dana smanjiti?
I tako, znanstvenici s Massachusetts Institute of Technology i Sveučilišta Harvard predložili su precizniji i neovisniji način mjerenja Hubbleove konstante pomoću gravitacijskih valova koje emitiraju relativno rijetki sustavi: binarni sustav crna rupa - neutronska zvijezda, energetski par uvijen u spirali crnom rupom i neutronska zvijezda. Dok se ti predmeti kreću u plesu, oni stvaraju drhtave prostorno-vremenske valove i bljesak svjetlosti kada se dogodi konačni sudar.
U radu objavljenom 12. srpnja u časopisu Physical Review Letters, znanstvenici su rekli da će bljesak svjetlosti omogućiti znanstvenicima da procijene brzinu sustava, odnosno koliko se brzo udaljava od Zemlje. Emitirani gravitacijski valovi, ako su zarobljeni na Zemlji, trebali bi osigurati neovisno i točno mjerenje udaljenosti do sustava. Unatoč činjenici da su binarni sustavi crnih rupa i neutronskih zvijezda nevjerojatno rijetki, znanstvenici procjenjuju da će otkriće čak nekoliko njih do danas dati najtočniju procjenu Hubbleove konstante i brzine širenja svemira.
"Binarni sustavi crnih rupa i neutronskih zvijezda vrlo su složeni sustavi o kojima znamo vrlo malo", kaže Salvatore Vitale, izvanredni profesor fizike na MIT-u i vodeći autor članka. "Ako ga pronađemo, nagrada će biti naš radikalni proboj u razumijevanju svemira."
Vitale je suautor Hsin-Yu Chen s Harvarda.
Promotivni video:
Konkurentske konstante
Nedavno su provedena dva neovisna mjerenja Hubbleove konstante, jedno pomoću NASA-inog svemirskog teleskopa Hubble, a drugo pomoću satelita Planck Europske svemirske agencije. Hubbleovo mjerenje temeljilo se na opažanjima zvijezde poznate kao varijabla Cefeida, kao i na opažanjima supernova. Oba ova predmeta smatraju se "standardnim svijećama" zbog predvidljivosti svjetline, pomoću kojih znanstvenici procjenjuju udaljenost do zvijezde i njezinu brzinu.
Druga vrsta procjene temelji se na promatranju fluktuacija u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini - elektromagnetskom zračenju koje je ostalo nakon Velikog praska, dok je svemir još bio u povojima. Iako su promatranja obje sonde izuzetno točna, njihove procjene Hubbleove konstante uvelike se razlikuju.
"I ovdje LIGO stupa u igru", kaže Vitale.
LIGO, ili laserski interferometrijski opservatorij gravitacijskog vala, traži gravitacijske valove - mreškanje na tkivu prostora-vremena koje se rađa kao rezultat astrofizičkih kataklizmi.
"Gravitacijski valovi pružaju vrlo jednostavan i jednostavan način mjerenja udaljenosti do svojih izvora", kaže Vitale. "Ono što smo pronašli kod LIGO-a izravni je otisak udaljenosti do izvora, bez daljnje analize."
2017. godine znanstvenici su dobili prvu priliku za procjenu Hubbleove konstante iz izvora gravitacijskog vala kada su LIGO i njegova talijanska kolegica Djevica prvi put u povijesti otkrili par sudarajućih se neutronskih zvijezda. Ovaj je sudar pustio ogromnu količinu gravitacijskih valova, koje su znanstvenici izmjerili kako bi odredili udaljenost od Zemlje do sustava. Spajanje je također emitiralo rafalnu svjetlost, koju su astronomi uspjeli analizirati zemaljskim i svemirskim teleskopima kako bi odredili brzinu sustava.
Dobivši oba mjerenja, znanstvenici su izračunali novu vrijednost za Hubbleovu konstantu. Međutim, procjena je došla s relativno velikom nesigurnošću od 14%, puno neizvjesnijom od vrijednosti izračunatih pomoću Hubblea i Plancka.
Vitale kaže da velik dio nesigurnosti proizlazi iz činjenice da je interpretacija udaljenosti od binarnog sustava do Zemlje teška koristeći gravitacijske valove stvorene tim sustavom.
"Udaljenost mjerimo gledajući koliko je gravitacijski val" glasan ", odnosno koliko će naši podaci o njemu biti čisti", kaže Vitale. “Ako je sve jasno, možete vidjeti da je glasno i odrediti udaljenost. Ali to vrijedi samo djelomično za binarne sustave."
Činjenica je da ti sustavi koji stvaraju uskovitlani disk energije kako se razvija ples dviju neutronskih zvijezda, neravnomjerno emitiraju gravitacijske valove. Većina gravitacijskih valova izbija se iz središta diska, dok ih se puno manje izbacuje s rubova. Ako znanstvenici otkriju "glasni" signal gravitacijskog vala, to može ukazivati na jedan od dva scenarija: otkriveni valovi rađaju se na rubovima sustava koji je vrlo blizu Zemlje ili valovi dolaze iz središta puno daljeg sustava.
"U slučaju binarnih zvjezdanih sustava, vrlo je teško razlikovati ove dvije situacije", kaže Vitale.
Novi val
2014. godine, čak i prije nego što je LIGO otkrio prve gravitacijske valove, Vitale i njegovi kolege primijetili su da binarni sustav crne rupe i neutronske zvijezde može pružiti preciznije mjerenje udaljenosti od binarnih neutronskih zvijezda. Tim je proučavao kako se precizno može izmjeriti rotacija crne rupe, pod uvjetom da se ti objekti okreću oko svoje osi, poput Zemlje, samo brže.
Istraživači su modelirali različite sustave crnih rupa, uključujući sustave neutronskih zvijezda crne rupe i binarne sustave neutronskih zvijezda. Usput je utvrđeno da se udaljenost do crne rupe - sustava neutronskih zvijezda može preciznije odrediti nego do neutronskih zvijezda. Vitale kaže da je to posljedica vrtnje crne rupe oko neutronske zvijezde, jer pomaže boljem utvrđivanju otkud gravitacijski valovi dolaze u sustav.
"Zbog preciznijeg mjerenja udaljenosti, mislio sam da bi binarni sustavi crnih rupa i neutronskih zvijezda mogli biti bolja referentna točka za mjerenje Hubbleove konstante", kaže Vitale. "Od tada se puno toga dogodilo s LIGO-om i otkriveni su gravitacijski valovi, tako da je sve nestalo u pozadini."
Vitale se nedavno vratio svom izvornom opažanju.
"Do sada su ljudi preferirali binarne neutronske zvijezde kao način mjerenja Hubbleove konstante pomoću gravitacijskih valova", kaže Vitale. „Pokazali smo da postoji još jedan tip izvora gravitacijskog vala koji prije nije bio u potpunosti iskorišten: crne rupe i neutronske zvijezde koje plešu okolo. LIGO će ponovno početi prikupljati podatke u siječnju 2019. godine i bit će puno osjetljiviji, što znači da možemo vidjeti udaljenije objekte. Stoga će LIGO moći vidjeti barem jedan sustav crne rupe i neutronske zvijezde, ili bolje svih dvadeset i pet, a to će pomoći razriješiti postojeću napetost u mjerenju Hubbleove konstante, nadamo se, u sljedećih nekoliko godina.
Ilja Khel
