En konstnärs skildring av två neutronstjärnor som slås samman och släpper gravitationsvågor.
(Bild: © R. Hurt / Caltech-JPL)
Analyserar krusningar i tyget av rum och tid skapade av par av döda stjärnor kan snart lösa ett kosmiskt mysterium kring hur snabbt universum expanderar - om forskare har tur.
Det är domen från en ny studie, som också kan belysa universums slutliga öde, har forskarna som arbetat med det sagt.
Kosmos har fortsatt att expandera sedan det föddes för cirka 13,8 miljarder år sedan. Genom att mäta den nuvarande hastigheten för universums expansion, känd som Hubble konstantkan forskare härleda kosmosens ålder och detaljer om dess nuvarande tillstånd. De kan till och med använda siffran för att försöka lära sig universumets öde, till exempel om det kommer att expandera för evigt, kollapsa på sig själv eller riva isär helt.
Forskare använder två primära metoder för att mäta Hubble-konstanten. En omfattar övervakning av närliggande föremål vars egenskaper forskare förstår väl, till exempel stjärnexplosioner kända som supernovor och pulserande stjärnor kända som Cepheid-variabler, för att uppskatta deras avstånd och sedan dra ut universums expansionshastighet. Den andra fokuserar på den kosmiska mikrovågsbakgrunden, reststrålningen från Big Bang, och undersöker hur den har förändrats över tid för att beräkna hur snabbt kosmos har expanderat.
Detta par tekniker har emellertid gett två olika resultat för värdet på Hubble-konstanten. Data från den kosmiska mikrovågsbakgrunden antyder att universum för närvarande expanderar med en hastighet av cirka 41,6 mil (67 kilometer) per sekund per 3,26 miljoner ljusår, medan data från supernovor och Cepheider i det närliggande universum antyder en hastighet på cirka 45,3 mil ( 73 km) per sekund per 3,26 miljoner ljusår.
Denna skillnad antyder att den kosmologiska standardmodellen - forskarnas förståelse av universums struktur och historia - kan vara fel. Att lösa denna debatt, känd som Hubble konstant konflikt, kunde belysa kosmos utveckling och slutliga öde.
I den nya studien föreslår fysiker att framtida data från krusningarna i rymd- och tidsduken känd som gravitationsvågor kan hjälpa till att bryta detta dödläge. "Den ständiga konflikten i Hubble - den största ledtråd vi har att vår modell av universum är ofullständig - är lösningsbar på fem till tio år", berättade Space Studes författare Stephen Feeney, en astrofysiker vid Flatiron Institute i New York.
Enligt Einsteins teori om allmän relativitet, tyngdkraften är resultatet av hur massa snedvrider rymd-tid. När ett föremål med massa rör sig, bör det producera gravitationsvågor som dragkedja med ljusets hastighet, sträcker och pressar utrymme-tid längs vägen.
Gravitationsvågorna är utomordentligt svaga, och det var först 2016 som forskare upptäckte de första direkta bevisen på dem. Under 2017 upptäckte forskare gravitationsvågor från kolliderande neutronstjärnor, rester av stjärnor som omkom i katastrofala explosioner kända som supernovor. Om en stjärns rester inte är tillräckligt massiva för att kollapsa för att bli svarta hål, kommer de istället att hamna som en neutronstjärna, så kallad eftersom dess gravitationskraft är tillräckligt stark för att krossa protoner tillsammans med elektroner för att bilda neutroner.
Till skillnad från svarta hål avger neutronstjärnor synligt ljus, och det gör också deras kollisioner. Gravitationsvågorna från dessa sammanslagningar, kallad "vanliga sirener", hjälper forskare att fastställa deras avstånd från Jorden, medan ljuset från dessa kollisioner kommer att hjälpa till att bestämma hastigheten med vilken de rörde sig relativt Jorden. Forskare kan sedan använda båda dessa uppsättningar av data för att beräkna Hubble-konstanten. Enligt Feeney och hans kollegor kan analys av krascher mellan cirka 50 par neutronstjärnor under de kommande fem till tio åren ge tillräckligt med data för att bestämma den bästa mätningen ännu av Hubble-konstanten.
Den beräkningen beror emellertid på hur ofta neutronstjärnkollisioner inträffar. "Det råder stor osäkerhet i hastigheten på neutronstjärna sammanslagningar - Vi har trots allt bara sett en hittills, "sa Feeney." Om vi hade mycket tur att se den, och sammanslagningar är faktiskt mycket sällsyntare än vi tror, så att vi observerade antalet sammanslagningar som behövs för att förklara Hubble-konstanten konflikten kan ta längre tid än vad vi angav i vårt arbete. "
Gravitationsvågor kan till slut stöda ett värde för Hubble-konstanten över det andra, men de kan också bestämma ett nytt tredje värde för Hubble-konstanten, sade Feeney. Om detta händer kan det leda till ny insikt om supernovas, Cepheids eller neutronstjärners beteende, tillade han.
Forskarna detaljerade deras resultat online 14 februari i tidskriften Physical Review Letters.
