Alates selle loomisest 13,8 miljardit aastat tagasi on universum jätkuvalt laienenud, hajutades kiiresti tõusvas tainas sadu miljardeid galaktikaid ja tähti nagu rosinaid. Astronoomid on suunatud tähtedele ja teistele kosmilistele allikatele suunatud teleskoobid, et mõõta nende kaugust Maast ja nende eemaldumiskiirust - kaks parameetrit, mis on vajalikud Hubble'i konstandi arvutamiseks, mõõtühikuks, mis kirjeldab universumi laienemise kiirust.
Kuid siiani andsid kõige täpsemad katsed hinnata Hubble'i konstanti väga hajutatud väärtused ega võimaldanud teha lõplikku järeldust selle kohta, kui kiiresti universum kasvab. See teave peaks teadlaste sõnul valgustama Universumi teket ja saatust: kas kosmos laieneb lõpmatult või kahaneb ühel päeval?
Ja nii on Massachusettsi tehnoloogiainstituudi ja Harvardi ülikooli teadlased pakkunud täpsemat ja sõltumatut viisi Hubble'i konstandi mõõtmiseks, kasutades suhteliselt haruldaste süsteemide kiiratud gravitatsioonilaineid: musta auku-neutronitähe kahendsüsteem, energeetilist paari, mida musta augu abil keeratakse spiraaliks, ja neutronitähte. Kui need objektid tantsus liiguvad, tekitavad nad lõpliku kokkupõrke korral aegruumi raputavaid laineid ja valgussähvatust.
Ajakirjas Physical Review Letters 12. juulil avaldatud dokumendis teatasid teadlased, et valguspuhang võimaldab teadlastel hinnata süsteemi kiirust ehk seda, kui kiiresti see Maast eemaldub. Emitatud gravitatsioonilained, kui need on püütud Maale, peaksid tagama süsteemist kauguse sõltumatu ja täpse mõõtmise. Hoolimata asjaolust, et mustade aukude ja neutronitähtede binaarsüsteemid on uskumatult haruldased, hindavad teadlased, et isegi mõne neist avastamine annab kõige täpsema hinnangu Hubble'i konstandile ja universumi paisumiskiirusele seni.
"Mustade aukude ja neutronitähtede kahendsüsteemid on väga keerulised süsteemid, millest teame väga vähe," ütleb MITi füüsika dotsent ja töö juht Salvatore Vitale. "Kui leiame ühe, on auhinnaks meie radikaalne läbimurre universumi mõistmisel."
Vitale kaasautor on Hsin-Yu Chen Harvardist.
Reklaamvideo:
Konkureerivad konstandid
Hiljuti tehti kaks sõltumatut Hubble'i konstandi mõõtmist - üks NASA Hubble'i kosmoseteleskoobi ja teine Euroopa Kosmoseagentuuri Plancki satelliidi abil. Hubble'i mõõtmine põhines Cepheidi muutujana tuntud tähe vaatlustel, samuti supernoovade vaatlustel. Mõlemat neist objektidest peetakse heleduse prognoositavuse osas "standardseteks küünaldeks", mille järgi teadlased hindavad kaugust täheni ja selle kiirust.
Teist tüüpi hindamine põhineb kosmilise mikrolaineausta kõikumiste vaatlustel - elektromagnetkiirgus, mis püsis pärast Suurt Pauku, kui universum oli alles lapsekingades. Ehkki mõlema sondi vaatlused on äärmiselt täpsed, erinevad nende hinnangud Hubble'i konstandi kohta suuresti.
"Ja siin tulebki mängu LIGO," ütleb Vitale.
LIGO ehk laser-interferomeetriline gravitatsioonilaine observatoorium otsib gravitatsioonilaineid - lainetusi aegruumi kangal, mis sünnib astrofüüsikaliste kataklüsmide tagajärjel.
"Gravitatsioonilained pakuvad väga lihtsat ja lihtsat viisi kauguste mõõtmiseks nende allikateni," ütleb Vitale. "See, mida me LIGOga leidsime, on otsese jälje kauguseni allikani, ilma täiendava analüüsita."
2017. aastal said teadlased oma esimese võimaluse hinnata gravitatsioonilaine allikast Hubble'i konstandi, kui LIGO ja selle Itaalia kolleeg Virgo avastasid esimest korda ajaloos paari põrkuvaid neutrontähti. See kokkupõrge vabastas tohutu hulga gravitatsioonilaineid, mida teadlased mõõtsid, et määrata kaugus Maast süsteemini. Ühinemisega eraldus ka valguspuhang, mida astronoomid said süsteemi kiiruse määramiseks analüüsida maapealsete ja kosmoseteleskoopidega.
Mõlema mõõtmise järel arvutasid teadlased Hubble'i konstandile uue väärtuse. Hinnanguga kaasnes siiski suhteliselt suur 14% määramatus, mis oli palju ebakindlam kui Hubble'i ja Plancki abil arvutatud väärtused.
Vitale ütleb, et suur osa ebakindlusest tuleneb asjaolust, et kahendsüsteemist Maani kauguse tõlgendamine on selle süsteemi loodud gravitatsioonilainete abil keeruline.
"Me mõõdame kaugust, vaadates, kui" vali "on gravitatsioonilaine, st kui puhtad meie andmed selle kohta on," ütleb Vitale. “Kui kõik on selge, näete, et see on vali, ja määrake vahemaa. Kuid see kehtib kahendsüsteemide kohta ainult osaliselt."
Fakt on see, et need süsteemid, mis tekitavad kahe neutrontähe tantsu arenedes pöörleva energiaketta, kiirgavad gravitatsioonilaineid ebaühtlaselt. Enamik gravitatsioonilaineid lastakse ketta keskelt, servadest aga palju vähem. Kui teadlased tuvastavad "valju" gravitatsioonilaine signaali, võib see viidata ühele kahest stsenaariumist: tuvastatud lained sünnivad Maale väga lähedal oleva süsteemi servades või lained tulevad hoopis kaugema süsteemi keskelt.
"Binaarsete tähesüsteemide puhul on neid kahte olukorda väga raske eristada," ütleb Vitale.
Uus laine
2014. aastal, isegi enne LIGO esimeste gravitatsioonilainete avastamist, täheldasid Vitale ja tema kolleegid, et musta augu ja neutronitähe binaarsüsteem võib pakkuda täpsemat kauguse mõõtmist kui binaarsed neutrontähed. Meeskond uuris, kui täpselt saab mõõta musta augu pöörlemist tingimusel, et need objektid pöörlevad oma teljel, nagu Maa, ainult kiiremini.
Teadlased on modelleerinud erinevaid mustade aukude süsteeme, sealhulgas mustade aukude neutrontähesüsteeme ja binaarseid neutrontähesüsteeme. Teel selgus, et kaugust musta auku - neutronitähesüsteeme saab määrata täpsemalt kui neutronitähtedeni. Vitale ütleb, et see on tingitud musta augu ketramisest neutronitähe ümber, sest see aitab paremini kindlaks teha, kust gravitatsioonilained süsteemis tulevad.
"Täpsema kauguse mõõtmise tõttu arvasin, et binaarsed musta augu ja neutronite tähesüsteemid võivad olla paremaks võrdluspunktiks Hubble'i konstandi mõõtmiseks," ütleb Vitale. "Sellest ajast peale on LIGOga palju juhtunud ja avastati gravitatsioonilaineid, nii et see kõik kadus tagaplaanile."
Vitale on hiljuti naasnud oma esialgse vaatluse juurde.
"Siiani on inimesed eelistanud binaarseid neutrontähti kui võimalust mõõta Hubble'i konstandi gravitatsioonilainete abil," ütleb Vitale. "Oleme näidanud, et on olemas veel üht tüüpi gravitatsioonilaine allikat, mida pole varem täielikult ära kasutatud: mustad augud ja ümber tantsivad neutrontähed. LIGO alustab uuesti andmete kogumist 2019. aasta jaanuaris ja muutub palju tundlikumaks, mis tähendab, et võime näha kaugemaid objekte. Seetõttu on LIGO-l võimalus näha vähemalt ühte musta augu ja neutronitähe süsteemi ning eelistatavalt kõiki 25 ja see aitab loodetavasti lähiaastatel lahendada praeguse pinge Hubble'i konstandi mõõtmisel."
Ilja Khel
