Die Darstellung eines Künstlers von zwei Neutronensternen, die Gravitationswellen verschmelzen und freisetzen.
(Bild: © R. Hurt / Caltech-JPL)
Analysieren Wellen im Gewebe von Raum und Zeit Von Paaren toter Sterne erschaffen, könnte bald ein kosmisches Rätsel lösen, wie schnell sich das Universum ausdehnt - wenn Wissenschaftler Glück haben.
Das ist das Urteil einer neuen Studie, die möglicherweise auch das endgültige Schicksal des Universums beleuchtet, haben die Forscher, die daran gearbeitet haben, gesagt.
Der Kosmos hat sich seit seiner Geburt vor etwa 13,8 Milliarden Jahren weiter ausgedehnt. Durch Messung der gegenwärtigen Expansionsrate des Universums, bekannt als Hubble-Konstantekönnen Wissenschaftler das Alter des Kosmos und Details seines aktuellen Zustands ableiten. Sie können sogar die Nummer verwenden, um zu versuchen zu lernen das Schicksal des Universums, zum Beispiel, ob es sich für immer ausdehnen, auf sich selbst zusammenbrechen oder vollständig zerreißen wird.
Wissenschaftler verwenden zwei primäre Methoden, um die Hubble-Konstante zu messen. Eine davon ist die Überwachung von Objekten in der Nähe, deren Eigenschaften Wissenschaftler gut verstehen, wie z. B. Sternexplosionen, die als bekannt sind Supernovae und pulsierende Sterne bekannt als Cepheid-Variablen, um ihre Entfernungen abzuschätzen und dann die Expansionsrate des Universums abzuleiten. Der andere konzentriert sich auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund, die übrig gebliebene Strahlung des Urknalls, und untersucht, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert hat, um zu berechnen, wie schnell sich der Kosmos ausgedehnt hat.
Dieses Paar von Techniken hat jedoch ergeben zwei unterschiedliche Ergebnisse für den Wert der Hubble-Konstante. Daten aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund deuten darauf hin, dass sich das Universum derzeit mit einer Geschwindigkeit von 67 Kilometern pro Sekunde und 3,26 Millionen Lichtjahren ausdehnt, während Daten von Supernovas und Cepheiden im nahe gelegenen Universum eine Geschwindigkeit von 45,3 Meilen (45,3 Meilen) nahe legen. 73 km) pro Sekunde pro 3,26 Millionen Lichtjahre.
Diese Diskrepanz legt nahe, dass das kosmologische Standardmodell - das Verständnis der Wissenschaftler für die Struktur und Geschichte des Universums - falsch sein könnte. Lösung dieser Debatte, bekannt als die Hubble ständiger Konfliktkönnte Licht auf die Entwicklung und das endgültige Schicksal des Kosmos werfen.
In der neuen Studie schlagen Physiker vor, dass zukünftige Daten von den Wellen in der Struktur von Raum und Zeit, die als Gravitationswellen bekannt sind, dazu beitragen könnten, diesen Stillstand zu überwinden. "Der ständige Konflikt mit Hubble - der größte Hinweis darauf, dass unser Modell des Universums unvollständig ist - ist in fünf bis zehn Jahren lösbar", sagte der leitende Studienautor Stephen Feeney, Astrophysiker am Flatiron Institute in New York, gegenüber Space.com.
Nach Einsteins Theorie der allgemeinen RelativitätstheorieDie Schwerkraft ergibt sich daraus, wie die Masse die Raumzeit verzerrt. Wenn sich ein Objekt mit Masse bewegt, sollte es Gravitationswellen erzeugen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit zippen und dabei die Raumzeit dehnen und quetschen.
Gravitationswellen sind außerordentlich schwach, und erst 2016 konnten Wissenschaftler erste direkte Beweise dafür finden. Im Jahr 2017 entdeckten Wissenschaftler auch Gravitationswellen von kollidierenden Neutronensternen, Resten von Sternen, die bei katastrophalen Explosionen ums Leben kamen Supernovae. Wenn die Überreste eines Sterns nicht massiv genug sind, um zu schwarzen Löchern zusammenzubrechen, werden sie stattdessen zu einem Neutronenstern, der so genannt wird, weil seine Anziehungskraft stark genug ist, um Protonen zusammen mit Elektronen zu Neutronen zu zerquetschen.
Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern emittieren Neutronensterne sichtbares Licht, ebenso wie ihre Kollisionen. Die Gravitationswellen dieser Fusionen, die als "Standardsirenen" bezeichnet werden, helfen Wissenschaftlern dabei, ihre Entfernung von der Erde zu bestimmen, während das Licht dieser Kollisionen dabei hilft, die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sie sich relativ zur Erde bewegen. Die Forscher können dann beide Datensätze verwenden, um die Hubble-Konstante zu berechnen. Laut Feeney und seinen Kollegen kann die Analyse von Abstürzen zwischen etwa 50 Paaren von Neutronensternen in den nächsten fünf bis zehn Jahren zu genügend Daten führen, um die bisher beste Messung der Hubble-Konstante zu bestimmen.
Diese Schätzung hängt jedoch davon ab, wie oft Neutronen-Stern-Kollisionen auftreten. "Es besteht erhebliche Unsicherheit in der Rate von Fusionen von Neutronensternen - Wir haben immerhin bisher nur einen gesehen ", sagte Feeney." Wenn wir das große Glück hatten, diesen zu sehen, und Fusionen tatsächlich viel seltener sind als wir denken, dann beobachten Sie die Anzahl der Fusionen, die zur Erklärung der Hubble-Konstante erforderlich sind Konflikte könnten länger dauern, als wir in unserer Arbeit angegeben haben. "
Gravitationswellen unterstützen möglicherweise einen Wert für die Hubble-Konstante gegenüber dem anderen, aber sie können auch einen neuen dritten Wert für die Hubble-Konstante bestimmen, sagte Feeney. In diesem Fall könnten neue Erkenntnisse über das Verhalten von Supernovas, Cepheiden oder Neutronensternen gewonnen werden, fügte er hinzu.
Die Wissenschaftler detailliert ihre Ergebnisse online 14. Februar in der Zeitschrift Physical Review Letters.
