Zderzenia czarnych dziur mogą pomóc nam zmierzyć szybkość rozszerzania się wszechświata

Czarna dziura jest zazwyczaj miejscem, gdzie informacja znika — ale naukowcy mogli znaleźć sztuczkę, aby wykorzystać jej ostatnie chwile do opowiedzenia nam o historii wszechświata. W nowej pracy dwóch astrofizyków z Uniwersytetu w Chicago przedstawiło metodę wykorzystania par zderzających się czarnych dziur do pomiaru tempa rozszerzania się naszego wszechświata – a tym samym do zrozumienia, jak wszechświat ewoluował, z czego jest zbudowany i dokąd zmierza. W szczególności, naukowcy uważają, że nowa technika, którą nazywają „syreną spektralną”, może być w stanie powiedzieć nam o nieuchwytnych „młodzieńczych” latach wszechświata.

Kosmiczny władca

Główną debatą naukową jest to, jak szybko rozszerza się Wszechświat – liczba ta nazywana jest stałą Hubble’a. Różne metody dostępne do tej pory dają nieco inne odpowiedzi, a naukowcy są chętni do znalezienia alternatywnych sposobów mierzenia tego tempa. Sprawdzanie dokładności tej liczby jest szczególnie ważne, ponieważ wpływa ona na nasze zrozumienie podstawowych kwestii, takich jak wiek, historia i skład wszechświata.

Nowe badania oferują sposób na dokonanie takich obliczeń, wykorzystując specjalne detektory, które zbierają kosmiczne echa zderzeń czarnych dziur.

Od czasu do czasu dwie czarne dziury zderzają się ze sobą – jest to wydarzenie tak potężne, że dosłownie tworzy falę w czasoprzestrzeni, która przemieszcza się po całym wszechświecie. Tutaj na Ziemi, amerykańskie Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) i włoskie obserwatorium Virgo mogą odbierać te fale, które nazywane są falami grawitacyjnymi.

W ciągu ostatnich kilku lat LIGO i Virgo zebrały odczyty z prawie 100 par zderzających się czarnych dziur.

Sygnał z każdej kolizji zawiera informacje o tym, jak masywne były czarne dziury. Ale sygnał podróżował przez przestrzeń, a w tym czasie wszechświat się rozszerzył, co zmienia właściwości sygnału. „Na przykład, jeśli wziąłbyś czarną dziurę i umieścił ją wcześniej we wszechświecie, sygnał zmieniłby się i wyglądałby jak większa czarna dziura niż jest w rzeczywistości” – wyjaśnił astrofizyk z UChicago Daniel Holz, jeden z dwóch autorów pracy.

Jeśli naukowcy znajdą sposób, by zmierzyć, jak zmienił się ten sygnał, będą mogli obliczyć tempo rozszerzania się wszechświata. Problemem jest kalibracja: Skąd mają wiedzieć, jak bardzo zmienił się sygnał w stosunku do oryginału?

W swojej nowej pracy Holz i pierwszy autor Jose María Ezquiaga sugerują, że mogą wykorzystać naszą nowo zdobytą wiedzę o całej populacji czarnych dziur jako narzędzie do kalibracji. Na przykład, obecne dowody sugerują, że większość wykrytych czarnych dziur ma od pięciu do 40 razy większą masę niż nasze Słońce. „Więc mierzymy masy pobliskich czarnych dziur i rozumiemy ich cechy, a następnie patrzymy dalej i widzimy, jak bardzo te dalsze wydają się być przesunięte” – powiedział Ezquiaga, NASA Einstein Postdoctoral Fellow i Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow pracujący z Holzem na UChicago. „I to daje ci miarę ekspansji wszechświata”.

Autorzy nazwali to metodą „syreny spektralnej”, nowym podejściem do metody „syreny standardowej”, której pionierem był Holz i współpracownicy. (Nazwa jest nawiązaniem do metod „standardowej świecy” stosowanych również w astronomii).

Naukowcy są podekscytowani, ponieważ w przyszłości, wraz z rozszerzeniem możliwości LIGO, metoda ta może zapewnić unikalne okno do „nastoletnich” lat wszechświata — około 10 miliardów lat temu — które są trudne do zbadania innymi metodami.

Naukowcy mogą użyć kosmicznego tła mikrofalowego, aby przyjrzeć się najwcześniejszym momentom wszechświata, a także mogą rozejrzeć się po galaktykach w pobliżu naszej własnej galaktyki, aby zbadać nowszą historię wszechświata. Ale okres pomiędzy jest trudniejszy do osiągnięcia i jest to obszar szczególnego zainteresowania naukowego.

„To właśnie mniej więcej w tym czasie przeszliśmy od ciemnej materii będącej dominującą siłą we wszechświecie do ciemnej energii przejmującej władzę i jesteśmy bardzo zainteresowani badaniem tego krytycznego przejścia” – powiedział Ezquiaga.

Inną zaletą tej metody, powiedzieli autorzy, jest to, że jest mniej niepewności tworzonych przez luki w naszej wiedzy naukowej. „Dzięki wykorzystaniu całej populacji czarnych dziur, metoda może się kalibrować, bezpośrednio identyfikując i korygując błędy” – powiedział Holz. Inne metody stosowane do obliczania stałej Hubble’a polegają na naszym obecnym zrozumieniu fizyki gwiazd i galaktyk, co wiąże się z wieloma skomplikowanymi zagadnieniami fizyki i astrofizyki. Oznacza to, że pomiary mogą być znacznie utrudnione, jeśli jest coś, czego jeszcze nie wiemy.

Natomiast nowa metoda badania czarnych dziur opiera się niemal wyłącznie na teorii grawitacji Einsteina, która jest dobrze zbadana i wytrzymała wszystkie sposoby, w jakie naukowcy próbowali ją do tej pory przetestować.

Im więcej odczytów będą mieli ze wszystkich czarnych dziur, tym dokładniejsza będzie ta kalibracja. „Potrzebujemy najlepiej tysięcy takich sygnałów, które powinniśmy mieć w ciągu kilku lat, a nawet więcej w ciągu następnej dekady lub dwóch” – powiedział Holz. „W tym momencie byłaby to niesamowicie potężna metoda poznawania wszechświata”.

Źródło: University of Chicago. Louise Lerner