Kollisionen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen könnten endlich die unterschiedlichen Messungen über die Expansionsrate des Universums klären

Wenn Sie die Entwicklungen in der Astronomie in den letzten Jahren verfolgt haben, haben Sie vielleicht von der sogenannten „Krise in der Kosmologie“ gehört, bei der sich Astronomen fragen, ob mit unserem aktuellen Verständnis des Universums etwas nicht stimmt. Diese Krise dreht sich um die Expansionsrate des Universums: Messungen der Expansionsrate im gegenwärtigen Universum stimmen nicht mit Messungen der Expansionsrate während des frühen Universums überein. Da es keinen Hinweis darauf gibt, warum diese Messungen nicht übereinstimmen könnten, können Astronomen die Ungleichheit nicht erklären.

Der erste Schritt zur Lösung dieses Rätsels besteht darin, neue Methoden zur Messung der Expansionsrate auszuprobieren. In einem Papier veröffentlichte letzte Woche, schlugen Forscher des University College London (UCL) vor, dass wir in der Lage sein könnten, ein neues, unabhängiges Maß für die Expansionsrate des Universums zu erstellen, indem wir Kollisionen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen beobachten.

Lassen Sie uns für eine Minute zurücktreten und besprechen, wo die Dinge gerade stehen. Wenn wir ins Universum blicken, scheinen sich weiter entfernte Galaxien schneller von uns zu entfernen als nähere, da sich der Weltraum selbst ausdehnt. Dies wird durch eine als Hubble-Konstante bekannte Zahl ausgedrückt, die normalerweise als Geschwindigkeit (in Kilometern pro Sekunde) einer Galaxie in einem Megaparsec (Mpc) Entfernung geschrieben wird.

Eine der besten Möglichkeiten, die Hubble-Konstante zu messen, besteht darin, Objekte zu beobachten, die als Cepheiden-Variablen bekannt sind. Cepheiden sind Sterne, die regelmäßig heller und dunkler werden, und ihre Helligkeit passt sich einfach ihrer Periode an (der Zeit, die es braucht, um abzudunkeln und wieder aufzuhellen). Die Regelmäßigkeit dieser Objekte ermöglicht es, ihre Entfernung abzuschätzen, und eine Vermessung vieler Cepheiden ergibt eine Hubble-Konstante von etwa 73 km/s/Mpc. Supernovae vom Typ 1A sind ein weiteres häufiges Objekt mit bekannter Helligkeit, und sie geben auch eine Hubble-Konstante, die um 73 km / s / Mpc schwebt.

Andererseits können Sie die Expansion des Universums in seiner frühesten Phase messen, indem Sie das Nachglühen des Urknalls, die sogenannte kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB), beobachten. Unsere beste Messung des CMB wurde von der Raumsonde Planck der Europäischen Weltraumorganisation ESA durchgeführt, die 2018 ihre endgültigen Daten veröffentlichte. Planck beobachtete eine Hubble-Konstante von 67,66 km/s/Mpc.

Geschätzte Werte der Hubble-Konstante. Schwarz repräsentiert Messungen von Cepheiden/Typ 1A Supernovae (73 km/s/Mpc). Rot steht für CMB-Messungen des frühen Universums (67 km/s/Mpc). Blau zeigt andere Techniken, deren Unsicherheiten noch nicht klein genug sind, um sich zwischen den beiden zu entscheiden. Bildnachweis: Renerpho (Wikimedia Commons).

Der Unterschied zwischen 67 und 73 ist nicht riesig, und zunächst schien die wahrscheinlichste Erklärung für den Unterschied ein Instrumentenfehler zu sein. Durch nachfolgende Beobachtungen wurden die Fehlerbalken dieser Messungen jedoch so weit eingeengt, dass der Unterschied statistisch signifikant ist. Tatsächlich eine Krise!

Hier hoffen die UCL-Forscher einzuspringen. Sie schlagen eine neue Methode zur Messung der Hubble-Konstante vor, die sich in keiner Weise auf die beiden anderen Methoden verlässt. Es beginnt mit einer Messung von Gravitationswellen: den Wellen in der Raumzeit, die durch die Kollision massereicher Objekte wie Schwarzer Löcher entstehen. Die ersten Gravitationswellen wurden erst vor kurzem, im Jahr 2015, entdeckt und wurden noch nicht mit sichtbaren Kollisionen in Verbindung gebracht.

Als leitender Forscher Stephen Feeney erklärt , „Wir haben bei diesen Kollisionen noch kein Licht entdeckt. Aber Fortschritte in der Empfindlichkeit von Geräten zur Erkennung von Gravitationswellen werden zusammen mit neuen Detektoren in Indien und Japan zu einem großen Sprung nach vorne in Bezug auf die Anzahl dieser Arten von Ereignissen führen, die wir erkennen können.“

Gravitationswellen ermöglichen es uns, den Ort dieser Kollisionen zu lokalisieren, aber wir müssen auch das Licht der Kollisionen messen, wenn wir ihre Geschwindigkeit messen wollen. Eine Kollision eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern könnte genau die Art von Ereignis sein, die beides hervorruft.

Wenn wir genug von diesen Kollisionen sehen, könnten wir sie verwenden, um eine neue Messung für die Hubble-Konstante zu erstellen.

Der LIGO Gravitationswellendetektor in Louisiana. Bildquelle: Caltech/MIT/LIGO Laboratory.

Das UCL-Team nutzte Simulationen, um abzuschätzen, wie viele Kollisionen zwischen Schwarzen Löchern und Neutronensternen in den nächsten zehn Jahren auftreten könnten. Sie fanden heraus, dass die Gravitationswellendetektoren der Erde vor 2030 3000 von ihnen aufnehmen könnten, und von diesen werden etwa 100 wahrscheinlich auch sichtbares Licht erzeugen.

Das würde reichen. Als solches könnten wir bis 2030 eine brandneue Messung der Hubble-Konstante haben. Wir wissen noch nicht, ob die neue Messung mit der CMB-Messung oder der Cepheid/Typ 1A-Messung übereinstimmt oder beiden nicht zustimmt. Aber das Ergebnis, wie auch immer es ausfällt, wird ein wichtiger Schritt sein, um das Rätsel zu lösen. Es könnte entweder die Krise in der Kosmologie beilegen oder sie verschlimmern, indem sie uns dazu zwingt, unser Modell des Universums genauer zu betrachten und zuzugeben, dass wir mehr über das Universum nicht wissen, als wir dachten.

Erfahren Sie mehr: ' Kollisionen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen könnten Streit über die Expansion des Universums beilegen .“ UCL.

Stephen M. Feeney, Hiranya V. Peiris, Samaya M. Nissanke und Daniel J. Mortlock, „ Aussichten für die Messung der Hubble-Konstanten mit Neutronen-Stern-Schwarz-Loch-Verschmelzungen. 'Physische Überprüfungsbriefe.

Vorgestelltes Bild: Ein Schwarzes Loch, das einen Neutronenstern verschlingt. Bildnachweis: Dana Berry/NASA.