Neutronensterne schreien in Wellen der Raumzeit, wenn sie sterben, und Astronomen haben einen Plan entwickelt, um ihre Gravitationsqualen zu nutzen, um die Geschichte des Universums zu verfolgen. Begleiten Sie uns, wenn wir herausfinden, wie wir ihren Schmerz in unseren kosmologischen Gewinn verwandeln können.
Standards & Praktiken
Kosmologen sind besessen von Standards. Der Grund für diese Besessenheit liegt in ihren mühsamen Versuchen, extreme Entfernungen in unserem Universum zu messen. Betrachten Sie einen zufälligen Stern oder eine Galaxie. Wie weit ist es entfernt? Ist es näher oder weiter entfernt als ein Stern oder eine Galaxie daneben? Was ist, wenn einer heller oder dunkler ist als der andere?
Dies ist eine ziemlich hoffnungslose Situation, es sei denn, der Kosmos ist mit Standarddingen verstreut – Objekten mit bekannten Eigenschaften. Stellen Sie sich vor, 100-Watt-Glühbirnen oder Meterstäbe würden das Universum verunreinigen. Wenn wir diese Glühbirnen oder Messstäbe sehen könnten, könnten wir vergleichenwiesie schauen uns hier auf der Erde an, was wirkenntSie sehen aus wie aus der Nähe und persönlich. Wenn wir im Universum eine Glühbirne sehen und wissen, dass sie die gleiche Helligkeit wie eine normale 100-Watt-Glühbirne haben soll, können wir eine Trigonometrie durchführen, um die Entfernung zu dieser Glühbirne auszuschließen. Gleiches gilt für den Stock: Wenn wir einen zufälligen Stock herumschweben sehen und wissen, dass er genau einen Meter lang sein soll, können wir seine Länge in unserem Sichtfeld vergleichen und die Entfernung dazu berechnen.
Natürlich wären Glühbirnen und Meterstäbe lausige kosmologische Sonden, weil sie schwach und klein sind. Für ernsthafte Arbeit brauchen wir helle Dinge, große Dinge und gewöhnliche Dinge. Und es gibt nur wenige dieser Standards im Universum: Supernovae vom Typ 1a dienen als „Standardkerzen“ und baryonische akustische Schwingungen (ein Überbleibsel, der in die Verteilung von Galaxien aus dem frühen Universum eingebacken wurde und Gegenstand eines anderen Artikels ist) kann als „Standardherrscher“ dienen.
Aber wir werden mehr brauchen als Kerzen und Stöcke, um uns aus dem aktuellen kosmologischen Rätsel herauszuholen, in dem wir uns befinden.
Kampf des Jahrhunderts
Wir leben in einem expandierenden Universum. Jeden Tag entfernen sich Galaxien weiter voneinander (im Durchschnitt; es kann immer noch „kleine“ Kollisionen und Gruppierungen geben). Und die Expansionsrate unseres Universums hat sich in den letzten 13,8 Milliarden Jahren kosmischer Geschichte verändert. Das Universum besteht aus einer Reihe verschiedener Charaktere: Strahlung, Sterne, Gas, seltsame Dinge wie Neutrinos, seltsamere Dinge wie dunkle Materie und seltsamste Dinge wie dunkle Energie. Wenn sich jede dieser Komponenten ein- oder ausschaltet, zu dominieren beginnt oder aufhört zu dominieren, verschiebt sich die Expansionsrate des Universums.
In der guten alten Zeit war die Materie der Boss des Universums. Als sich das Universum ausdehnte, verlangsamte sich diese Expansion durch das ständige Ziehen der gesamten Materie durch die Gravitation. Aber dann wurde die Materie zu ausgebreitet, zu dünn und zu schwach, um den Kosmos zu beherrschen.
Vor etwa fünf Milliarden Jahren übernahm die dunkle Energie die Kontrolle, kehrte die leichte Verlangsamung der Expansion des Universums um und drückte das Blütenblatt an das Metall, wodurch die Expansion des Universums nicht nur fortgesetzt, sondern beschleunigt wurde. Dunkle Energie - was auch immer das ist – setzt seine finstere Dominanz des Kosmos bis heute fort.
Es ist von entscheidender Bedeutung, die Expansionsrate des Universums zu messenim Augenblick– Da die Expansionsrate an den Inhalt des Universums gebunden ist, sagt uns die Messung der Expansionsrate heute, wer die wichtigsten kosmologischen Akteure sind und welche relative Bedeutung sie haben. Wir können die heutige Expansionsrate, die als Hubble-Konstante bekannt ist, auf viele Arten messen, beispielsweise mit Stöcken und Kerzen.
Und hierin liegt eine überraschende Spannung. Messungen der Hubble-Konstanten aus dem nahegelegenen Universum mit Dingen wie Supernova ergeben einen besonderen Wert. Aber auch Messungen des frühen Universums unter Verwendung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds führen zu Einschränkungen der heutigen Hubble-Konstanten, und diese Messungen stimmen nicht ganz miteinander überein.
Die schreienden Sterne
Ein klebriges Problem: zwei unabhängige Methoden zur Messung derselben Zahl führen zu unterschiedlichen Ergebnissen . Es könnte ein Zeichen für brandneue Physik oder einfach nur schlecht verstandene Beobachtungen sein. Aber wie dem auch sei, während einige Kosmologen diese Situation als Herausforderung betrachten, sehen andere darin eine Chance. Was wir brauchen, sind mehr Messungen, und vor allem solche, die völlig unabhängig von den bestehenden sind. Wir haben Standardlineale und Standardkerzen, wie wäre es also mit ... Standardsirenen.
Sicher warum nicht.
Die kakophonen Gravitationswellen, die aus den letzten Momenten der Kollisionen zweier Neutronensterne hervorbrechen, enthalten saftige kosmologische Informationen. Da wir ihre Physik sehr gut verstehen, können wir die ultrapräzise Struktur der Gravitationswellen untersuchen, um zu wissen, wie laut (in der Schwerkraft, nicht im Klang, aber Sie müssen nur mit der Metapher rollen) sie schrien, als sie kollidierten . Dann können wir das damit vergleichen, wie laut sie hier auf der Erde klingen, und voila: eine Entfernung.
Künstlerische Illustration zweier verschmelzender Neutronensterne. Die schmalen Strahlen repräsentieren den Gammastrahlenausbruch, während das kräuselnde Raumzeitgitter die isotropen Gravitationswellen anzeigt, die die Verschmelzung charakterisieren. Kredit: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Diese Technik hat bereits eine (relativ grobe) Messung der Hubble-Konstante aus dem einzige beobachtete Verschmelzung von Neutronensternen .
Aber das sollte nicht der letzte Todesschrei von Neutronensternen sein, den wir hören. In den kommenden Jahren erwarten wir (hoffentlich?) Dutzende weitere zu fangen. Und bei jeder Kollision können wir eine zuverlässige Entfernung zum feurigen Ereignis bestimmen und die Expansionsgeschichte des Universums seit seinem Neutronenuntergang messen, was eine völlig andere Spur bietet, um den Wert der Hubble-Konstanten zu enthüllen.
Kosmologen der University of Chicago sagten voraus, dass die Technik der Standardsirenen innerhalb von fünf Jahren Messungen ermöglichen wird, die mit bestehenden Methoden konkurrieren können. Aber wenn es um die große kosmologische Debatte des 21. Jahrhunderts geht, bleibt die Frage: Werden Standardsirenen der entscheidende Faktor sein oder nur das Geheimnis vertiefen?
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