Künstlerische Darstellung der Explosion und des Ausbruchs von Gravitationswellen, die emittiert werden, wenn ein Paar superdichter Neutronensterne kollidiert. Neue Beobachtungen mit Radioteleskopen zeigen, dass solche Ereignisse verwendet werden können, um die Expansionsrate des Universums zu messen. Credit: NRAO/AUI/NSF
Wie schnell expandiert das Universum? Wir wissen es nicht genau.
Astronomen untersuchen die kosmische Expansion, indem sie die Hubble-Konstante messen. Sie haben diese Konstante auf verschiedene Arten gemessen, aber einige ihrer Ergebnisse stimmen nicht überein. Diese Meinungsverschiedenheit oder Spannung in der Hubble-Konstante ist eine wachsende Kontroverse in der Astronomie. Aber neue Beobachtungen kollidierender Neutronensterne könnten eine Lösung bieten.Melissa Hoffman vom National Radio Astronomy Observatory erklärt, wie Astronomen Radioastronomie und Gravitationswellen nutzen, um dieses kosmische Rätsel zu lösen.Astronomen, die Radioteleskope der National Science Foundation (NSF) verwenden, haben gezeigt, wie eine Kombination aus Gravitationswellen- und Radiobeobachtungen zusammen mit theoretischer Modellierung die Verschmelzung von Paaren von Neutronensternen in ein „kosmisches Lineal“ verwandeln kann, das die Ausdehnung des Universums messen und eine offene Frage über seine Geschwindigkeit lösen kann.Die Astronomen verwendeten das Very Long Baseline Array (VLBA) des NSF, das Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) und das Robert C. Das Byrd Green Bank Telescope (GBT) untersucht die Folgen der Kollision zweier Neutronensterne, die 2017 Gravitationswellen erzeugten. Dieses Ereignis bot eine neue Möglichkeit, die Expansionsrate des Universums zu messen, die von Wissenschaftlern als Hubble-Konstante bekannt ist. Die Expansionsrate des Universums kann verwendet werden, um seine Größe und sein Alter zu bestimmen, sowie als ein wesentliches Werkzeug für die Interpretation von Beobachtungen von Objekten an anderen Orten im Universum dienen.
Radiobeobachtungen eines Materialstrahls, der nach der Verschmelzung von Neutronensternen ausgestoßen wurde, waren der Schlüssel, um Astronomen die Orientierung der Orbitalebene der Sterne vor ihrer Verschmelzung und damit die „Helligkeit“ der in Richtung Erde emittierten Gravitationswellen zu bestimmen. Dies kann solche Ereignisse zu einem wichtigen neuen Instrument zur Messung der Expansionsrate des Universums machen. Kredit: Sophia Dagnello, NRAO / AUI/ NSF
Zwei führende Methoden zur Bestimmung der Hubble-Konstante verwenden die Eigenschaften des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, die übrig gebliebene Strahlung des Urknalls oder eine bestimmte Art von Supernovaexplosionen, Typ Ia genannt, im fernen Universum. Diese beiden Methoden liefern jedoch unterschiedliche Ergebnisse.“Die Neutronensternfusion gibt uns eine neue Möglichkeit, die Hubble-Konstante zu messen und hoffentlich das Problem zu lösen“, sagte Kunal Mooley vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und Caltech.
Die Technik ähnelt der der Supernova-Explosionen. Es wird angenommen, dass Typ-Ia-Supernova-Explosionen alle eine intrinsische Helligkeit haben, die basierend auf der Geschwindigkeit berechnet werden kann, mit der sie aufhellen und dann verblassen. Die Messung der Helligkeit von der Erde aus zeigt dann die Entfernung zur Supernova-Explosion. Die Messung der Dopplerverschiebung des Lichts aus der Wirtsgalaxie der Supernova zeigt die Geschwindigkeit an, mit der sich die Galaxie von der Erde zurückzieht. Die Geschwindigkeit geteilt durch die Entfernung ergibt die Hubble-Konstante. Um eine genaue Zahl zu erhalten, müssen viele solcher Messungen in unterschiedlichen Abständen durchgeführt werden.Wenn zwei massereiche Neutronensterne kollidieren, erzeugen sie eine Explosion und einen Ausbruch von Gravitationswellen. Die Form des Gravitationswellensignals sagt den Wissenschaftlern, wie „hell“ dieser Ausbruch von Gravitationswellen war. Die Messung der „Helligkeit“ oder Intensität der Gravitationswellen, wie sie auf der Erde empfangen werden, kann die Entfernung ergeben.“Dies ist ein völlig unabhängiges Messmittel, von dem wir hoffen, dass es den wahren Wert der Hubble-Konstante klären kann“, sagte Mooley.
Es gibt jedoch eine Wendung. Die Intensität der Gravitationswellen variiert mit ihrer Orientierung in Bezug auf die Orbitalebene der beiden Neutronensterne. Die Gravitationswellen sind in der Richtung senkrecht zur Orbitalebene stärker und schwächer, wenn die Orbitalebene von der Erde aus gesehen kantenförmig ist.“Um die Gravitationswellen zur Messung der Entfernung zu verwenden, mussten wir diese Orientierung kennen“, sagte Adam Deller von der Swinburne University of Technology in Australien.
Über einen Zeitraum von Monaten nutzten die Astronomen die Radioteleskope, um die Bewegung eines superschnellen Materialstrahls zu messen, der aus der Explosion ausgestoßen wurde. „Wir haben diese Messungen zusammen mit detaillierten hydrodynamischen Simulationen verwendet, um den Orientierungswinkel zu bestimmen und so die Gravitationswellen zur Bestimmung der Entfernung zu verwenden“, sagte Ehud Nakar von der Universität Tel Aviv.Diese einzelne Messung eines Ereignisses, das etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist, reicht noch nicht aus, um die Unsicherheit zu lösen, sagten die Wissenschaftler, aber die Technik kann jetzt auf zukünftige Neutronensternfusionen angewendet werden, die mit Gravitationswellen nachgewiesen werden.“Wir glauben, dass 15 weitere solcher Ereignisse, die sowohl mit Gravitationswellen als auch mit Radioteleskopen im Detail beobachtet werden können, das Problem lösen können“, sagte Kenta Hotokezaka von der Princeton University. „Dies wäre ein wichtiger Fortschritt für unser Verständnis eines der wichtigsten Aspekte des Universums“, fügte er hinzu.
Das internationale Wissenschaftsteam um Hotokezaka berichtet über seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Astronomy.Referenz: „A Hubble constant measurement from superluminal motion of the jet in GW170817“ von K. Hotokezaka, E. Nakar, O. Gottlieb, S. Nissanke, K. Masuda, G. Hallinan, K. P. Mooley und A. T. Deller, 8. Juli 2019, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-019-0820-1 Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. betrieben wird.