taiteilijan vaikutelma gravitaatioaaltojen räjähdyksestä ja purkautumisesta, kun pari superdenseistä neutronitähteä törmää. Radioteleskoopeilla tehdyt uudet havainnot osoittavat, että tällaisia tapahtumia voidaan käyttää maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden mittaamiseen. Luotto: NRAO/AUI/NSF

kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee? Emme tiedä varmasti.

tähtitieteilijät tutkivat kosmista laajenemista mittaamalla Hubblen vakiota. He ovat mitanneet tätä vakiota useilla eri tavoilla, mutta jotkut heidän tuloksistaan eivät ole samaa mieltä keskenään. Tämä erimielisyys eli jännitys Hubblen vakiossa on kasvava kiista tähtitieteessä. Uudet havainnot törmäävistä neutronitähdistä voisivat kuitenkin tarjota ratkaisun.

Juontajamme Melissa Hoffman National Radio Astronomy Observatorysta kertoo, miten tähtitieteilijät käyttävät radioastronomiaa ja gravitaatioaaltoja tähän kosmiseen mysteeriin vastaamiseen.

tähtitieteilijät, jotka käyttävät National Science Foundationin (NSF) radioteleskooppeja, ovat osoittaneet, miten gravitaatioaalto-ja radiohavaintojen yhdistelmä yhdessä teoreettisen mallinnuksen kanssa voi muuttaa neutronitähtiparien sulautumisen ”kosmiseksi hallitsijaksi”, joka pystyy mittaamaan maailmankaikkeuden laajenemisen ja ratkaisemaan ratkaisemattoman kysymyksen sen nopeudesta.

tähtitieteilijät käyttivät NSF: n Very Long Baseline Array (VLBA), Karl G. Jansky Very Large Array (Vla) ja Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) tutkii vuonna 2017 Havaittujen kahden gravitaatioaaltoja tuottaneen neutronitähden törmäyksen jälkiseurauksia. Tämä tapahtuma tarjosi uuden tavan mitata maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta, jonka tiedemiehet tuntevat Hubblen vakiona. Kaikkeuden laajenemisnopeutta voidaan käyttää sen koon ja iän määrittämiseen, sekä se toimii keskeisenä välineenä muualla maailmankaikkeudessa olevien kohteiden havaintojen tulkinnassa.

radiohavainnot neutronitähtien sulautumisen jälkimainingeissa sinkoutuneesta ainesuihkusta olivat avainasemassa, jotta tähtitieteilijät pystyivät määrittämään tähtien ratatason orientaation ennen niiden sulautumista ja siten maan suuntaan lähetettyjen gravitaatioaaltojen ”kirkkauden”. Tämä voi tehdä tällaisista tapahtumista tärkeän uuden välineen maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden mittaamiseen. Luotto: Sophia Dagnello, nrao/AUI/NSF

kaksi johtavaa Hubblen vakion määritysmenetelmää käyttävät kosmisen Mikroaaltotaustan ominaisuuksia, alkuräjähdyksen ylijäänyttä säteilyä tai tietyntyyppisiä supernovaräjähdyksiä, joita kutsutaan tyypin Ia, kaukaisessa maailmankaikkeudessa. Nämä kaksi menetelmää antavat kuitenkin erilaisia tuloksia.

”neutronitähtien sulautuminen antaa meille uuden tavan mitata Hubblen vakio ja toivottavasti ratkaista ongelma”, sanoi Kunal Mooley National Radio Astronomy Observatory (Nrao) ja Caltech.

tekniikka on samankaltainen kuin supernovaräjähdyksissä. Tyypin Ia supernovaräjähdyksillä ajatellaan olevan luontainen kirkkaus, joka voidaan laskea sen mukaan, kuinka nopeasti ne kirkastuvat ja sitten haalistuvat. Kirkkauden mittaaminen Maasta katsottuna kertoo sitten etäisyyden supernovaräjähdykseen. Supernovan isäntägalaksin valon doppler-siirtymän mittaaminen osoittaa nopeuden, jolla galaksi vetäytyy maasta. Nopeus jaettuna etäisyydellä saadaan Hubblen vakio. Tarkan luvun saamiseksi monet tällaiset mittaukset on tehtävä eri etäisyyksillä.

kun kaksi massiivista neutronitähteä törmäävät toisiinsa, ne saavat aikaan räjähdyksen ja purkauksen gravitaatioaaltoja. Gravitaatioaaltosignaalin muoto kertoo tutkijoille, kuinka ”kirkas” gravitaatioaaltojen purkaus oli. Maahan saapuvien gravitaatioaaltojen ”kirkkauden” eli voimakkuuden mittaaminen voi tuottaa etäisyyden.

”Tämä on täysin riippumaton mittauskeino, jonka toivomme voivan selventää, mikä Hubblen vakion todellinen arvo on”, Mooley sanoi.

mukana on kuitenkin kierre. Gravitaatioaaltojen voimakkuus vaihtelee niiden suunnan mukaan suhteessa kahden neutronitähden ratatasoon. Gravitaatioaallot ovat voimakkaampia kiertoratatasoon nähden kohtisuorassa suunnassa ja heikompia, jos ratataso on reunaltaan Maasta katsottuna.

”jotta gravitaatioaaltoja voitaisiin käyttää etäisyyden mittaamiseen, meidän piti tietää se suunta”, sanoi Adam Deller Swinburnen teknillisestä yliopistosta Australiasta.

kuukausien ajan tähtitieteilijät mittasivat radioteleskoopeilla räjähdyksestä sinkoutuvan supernopean materiaalisuihkun liikettä. ”Käytimme näitä mittauksia yhdessä yksityiskohtaisten hydrodynaamisten simulaatioiden kanssa orientaatiokulman määrittämiseen, mikä mahdollisti gravitaatioaaltojen käytön etäisyyden määrittämiseen”, sanoi Ehud Nakar Tel Avivin yliopistosta.

tämä yksittäinen mittaus tapahtumasta noin 130 miljoonan valovuoden päässä Maasta ei vielä riitä ratkaisemaan epävarmuutta, tutkijat sanoivat, mutta tekniikkaa voidaan nyt soveltaa tuleviin neutronitähtien fuusioihin, jotka havaitaan gravitaatioaalloilla.

”uskomme, että 15 muuta tällaista tapahtumaa, jotka voidaan havaita sekä gravitaatioaalloilla että hyvin yksityiskohtaisesti radioteleskoopeilla, voivat ratkaista ongelman”, sanoi Kenta Hotokezaka Princetonin yliopistosta. ”Tämä olisi tärkeä edistysaskel ymmärryksessämme yhdestä maailmankaikkeuden tärkeimmistä piirteistä”, hän lisäsi.

Hotokezakan johtama kansainvälinen tiederyhmä kertoo tuloksistaan Nature Astronomy-lehdessä.

viite: Hotokezaka K., Nakar E., Gottlieb O., Nissanke S. Masuda, Hallinan G. P. Mooley ja A. T. Deller ”a Hubble constant measurement from superluminal motion of the jet in Gw170817” 8.heinäkuuta 2019, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038 / s41550-019-0820-1

National Radio Astronomy Observatory on National Science Foundationin laitos, jota ylläpitää Associated Universities, Inc.