Zderzenia gwiazd neutronowych rzucają światło na ekspansję Wszechświata

W ostatnich latach astronomia przeżyła mały kryzys: chociaż wiemy, że Wszechświat się rozszerza i chociaż z grubsza wiemy, jak szybko to się dzieje, dwa podstawowe sposoby pomiaru tej ekspansji nie są ze sobą zgodne. Teraz astrofizycy z Instytutu Nielsa Bohra proponują nową metodę, która może pomóc rozwiązać to napięcie.

Wszechświat się rozszerza

Wiemy o tym odkąd Edwin Hubble i inni astronomowie około 100 lat temu zmierzyli prędkości wielu otaczających je galaktyk. Galaktyki we wszechświecie są „odsuwane” od siebie w wyniku tej ekspansji i dlatego oddalają się od siebie.

Im większa odległość między dwiema galaktykami, tym szybciej się od siebie oddalają, a dokładna prędkość tego ruchu jest jedną z najbardziej podstawowych wielkości współczesnej kosmologii. Liczba opisująca ekspansję nazywana jest stałą Hubble’a i pojawia się w wielu różnych równaniach i modelach Wszechświata i jego składników.

Galaktyki są mniej więcej nieruchome w przestrzeni, ale sama przestrzeń się rozszerza. Powoduje to, że galaktyki oddalają się od siebie ze stale rosnącą szybkością. Jednak dokładnie to, jak szybko, pozostaje tajemnicą. Źródło: ISO/L. Kalada. Galaktyki są mniej więcej nieruchome w przestrzeni, ale sama przestrzeń się rozszerza. Powoduje to, że galaktyki oddalają się od siebie ze stale rosnącą szybkością. Jednak dokładnie to, jak szybko, pozostaje tajemnicą. Źródło: ISO/L. Kalada

Problem Hubble’a

Aby zrozumieć wszechświat, musimy znać stałą Hubble’a tak dokładnie, jak to możliwe. Można to zmierzyć na kilka sposobów; Metody są od siebie niezależne, ale na szczęście dają prawie taki sam wynik.

To znaczy, prawie…

W zasadzie najłatwiejszym intuicyjnym sposobem zrozumienia jest ta sama metoda, którą Edwin Hubble i jego współpracownicy zastosowali sto lat temu: lokalizowanie grupy galaktyk oraz mierzenie ich odległości i prędkości. W praktyce robi się to poprzez poszukiwanie galaktyk z eksplodującymi gwiazdami, czyli tzw Supernowe. Uzupełnieniem tej metody jest inna metoda, która analizuje nieprawidłowości w tzw Kosmiczne promieniowanie tła; Starożytna forma światła, której początki sięgają czasów późniejszych wielka eksplozja.

Obie metody – metoda supernowej i metoda promieniowania tła – zawsze dawały nieco inne wyniki. Jednak każdy pomiar wiąże się z niepewnością, a kilka lat temu niepewność była na tyle duża, że ​​mogliśmy winić ich za rozbieżności.

Lewa półkula pokazuje rozszerzającą się pozostałość po supernowej odkrytej przez Tycho Brahe w 1572 roku, tutaj oglądana w promieniach rentgenowskich (Źródło: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). Po prawej stronie znajduje się mapa kosmicznego promieniowania tła pochodzącego z połowy nieba, obserwowanego w mikrofalach. Źródło: Zespół naukowy NASA/WMAP

Jednakże w miarę udoskonalania technik pomiarowych niepewność zmalała i doszliśmy do punktu, w którym możemy z dużą pewnością stwierdzić, że żadna z tych wartości nie może być prawdziwa.

Źródło tego „problemu Hubble’a” – czy nieznane efekty systematycznie wpływają na jeden z wyników, czy też wskazuje na nową fizykę, która nie została jeszcze odkryta – jest obecnie jednym z najgorętszych tematów w astronomii.

Utrzymujący się paradoks Hubble’a

Ekspansję Wszechświata mierzy się w „prędkości na odległość”, która wynosi nieco ponad 20 kilometrów na sekundę na milion lat świetlnych. Oznacza to, że galaktyka oddalona o 100 milionów lat świetlnych oddala się od nas z prędkością 2000 km/s, natomiast inna galaktyka oddalona o 200 milionów lat świetlnych oddala się od nas z prędkością 4000 km/s.

Jednak wykorzystanie supernowych do pomiaru odległości i prędkości galaktyk daje wynik 22,7 ± 0,4 km/s, podczas gdy analiza kosmicznego promieniowania tła daje wynik 20,7 ± 0,2 km/s.

Zwracanie uwagi na tak drobną różnicę zdań może wydawać się nudne, ale może być bardzo ważne. Na przykład liczba ta pojawia się przy obliczaniu wieku Wszechświata, a obie metody dają wiek odpowiednio 12,8 i 13,8 miliarda lat.

Kilonova: nowe podejście do pomiaru

Jednym z największych wyzwań jest dokładne określenie odległości do galaktyk. Jednak w nowym badaniu Albert Snippen, doktorant astrofizyki w Centrum Kosmicznego Świtu w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze, proponuje nowy sposób pomiaru odległości, który mógłby pomóc w rozstrzygnięciu toczącego się sporu.

„Kiedy dwie niezwykle zwarte gwiazdy neutronowe – będące pozostałościami supernowych – krążą wokół siebie i ostatecznie łączą się, eksplodują w wyniku nowej eksplozji, zwanej kilonową” – wyjaśnia Albert Snepen. „Niedawno pokazaliśmy, jak niezwykle symetryczna jest ta eksplozja, i okazuje się, że „Ta symetria jest nie tylko piękna, ale także niezwykle użyteczna”.

W Trzecie badanie Właśnie opublikowana płodna doktorantka pokazuje, że kilonowe, choć złożone, można opisać za pomocą jednej temperatury. Okazuje się, że symetria i prostota kilonowej pozwalają astronomom dokładnie wywnioskować, ile emituje światła.

Porównując tę ​​jasność z ilością światła docierającego do Ziemi, badacze mogą obliczyć, jak daleko znajduje się kilonowa. W ten sposób uzyskali nową, niezależną metodę obliczania odległości do galaktyk zawierających kilonowe.

Darach Watson jest profesorem nadzwyczajnym w Cosmic Dawn Center i współautorem badania. „Supernowe, które dotychczas wykorzystywano do pomiaru odległości między galaktykami, nie zawsze emitują tę samą ilość światła” – wyjaśnia. „Co więcej, wymagają one od nas najpierw skalibrowania odległości przy użyciu innego typu gwiazd, zwanych cefeidami, które z kolei również muszą zostać skalibrowane.” Używając kilonowych możemy ominąć te komplikacje, które powodują niepewność pomiarów.

Wstępne wyniki i dalsze kroki

Aby udowodnić swój potencjał, astrofizycy zastosowali tę metodę do kilonowej odkrytej w 2017 roku. W rezultacie otrzymano stałą Hubble’a bliższą metodzie promieniowania tła, ale czy metoda kilonowej jest w stanie rozwiązać problem Hubble’a, badacze nie mają jeszcze odwagi powiedzieć:

„Jak dotąd mamy tylko jedno studium przypadku i potrzebujemy więcej przykładów, zanim będziemy mogli wyciągnąć jednoznaczne wnioski” – ostrzega Albert Sneben. „Ale nasza metoda omija przynajmniej niektóre znane źródła niepewności i jest systemem bardzo „czystym” do badania. Nie wymaga kalibracji ani współczynnika korygującego.

Odniesienie: „Pomiar stałej Hubble’a w kilonowatach metodą rozszerzającej się fotosfery” Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznański, Oliver Gast, Andreas Bauzayn i Radosław Wojtak, 2 października 2023 r., Astronomia i astrofizyka.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306