Οι συγκρούσεις άστρων νετρονίων ρίχνουν φως στη διαστολή του σύμπαντος

Τα τελευταία χρόνια, η αστρονομία έχει δει τον εαυτό της σε λίγο κρίση: Παρόλο που γνωρίζουμε ότι το σύμπαν διαστέλλεται, και παρόλο που γνωρίζουμε κατά προσέγγιση πόσο γρήγορα πηγαίνει, οι δύο θεμελιώδεις τρόποι μέτρησης αυτής της διαστολής δεν συμφωνούν. Τώρα οι αστροφυσικοί από το Ινστιτούτο Niels Bohr προτείνουν μια νέα μέθοδο που μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση αυτής της έντασης.

Το σύμπαν διαστέλλεται

Το γνωρίζουμε αυτό από τότε που ο Edwin Hubble και άλλοι αστρονόμοι, πριν από περίπου 100 χρόνια, μέτρησαν τις ταχύτητες ενός αριθμού γύρω γαλαξιών. Οι γαλαξίες στο σύμπαν «σπρώχνονται» μακριά από αυτή τη διαστολή, και ως εκ τούτου απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο.

Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ δύο γαλαξιών, τόσο πιο γρήγορα απομακρύνονται μεταξύ τους και ο ακριβής ρυθμός αυτής της κίνησης είναι ένα από τα πιο θεμελιώδη μεγέθη στη σύγχρονη κοσμολογία. Ο αριθμός που περιγράφει τη διαστολή ονομάζεται σταθερά Hubble και εμφανίζεται σε πολλές διαφορετικές εξισώσεις και μοντέλα του σύμπαντος και των συστατικών του.

Οι γαλαξίες είναι λίγο πολύ ακίνητοι στο διάστημα, αλλά ο ίδιος ο χώρος διαστέλλεται. Αυτό κάνει τους γαλαξίες να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο με ολοένα αυξανόμενο ρυθμό. Ωστόσο, το πόσο γρήγορα είναι λίγο μυστήριο. Πίστωση: ISO/L. Calada. Οι γαλαξίες είναι λίγο πολύ ακίνητοι στο διάστημα, αλλά ο ίδιος ο χώρος διαστέλλεται. Αυτό κάνει τους γαλαξίες να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο με ολοένα αυξανόμενο ρυθμό. Ωστόσο, το πόσο γρήγορα είναι λίγο μυστήριο. Πίστωση: ISO/L. Calada

Πρόβλημα Hubble

Για να κατανοήσουμε το σύμπαν, πρέπει να γνωρίζουμε τη σταθερά Hubble όσο το δυνατόν ακριβέστερα. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι μέτρησης. Οι μέθοδοι είναι αμοιβαία ανεξάρτητες αλλά ευτυχώς δίνουν σχεδόν το ίδιο αποτέλεσμα.

Δηλαδή είναι σχεδόν…

Ο ευκολότερος διαισθητικός τρόπος κατανόησης, κατ’ αρχήν, είναι η ίδια μέθοδος που χρησιμοποιούσαν ο Edwin Hubble και οι συνάδελφοί του πριν από έναν αιώνα: να εντοπίσουν μια ομάδα γαλαξιών και να μετρήσουν τις αποστάσεις και τις ταχύτητες τους. Στην πράξη, αυτό γίνεται με την αναζήτηση γαλαξιών με αστέρια που εκρήγνυνται, ή τα λεγόμενα Υπερκαινοφανείς. Αυτή η μέθοδος συμπληρώνεται από μια άλλη μέθοδο που αναλύει τις παρατυπίες στα λεγόμενα Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου; Μια αρχαία μορφή φωτός που χρονολογείται λίγο αργότερα η μεγάλη έκρηξη.

Οι δύο μέθοδοι – η μέθοδος σουπερνόβα και η μέθοδος ακτινοβολίας υποβάθρου – έδιναν πάντα ελαφρώς διαφορετικά αποτελέσματα. Αλλά οποιαδήποτε μέτρηση συνοδεύεται από αβεβαιότητες, και πριν από μερικά χρόνια οι αβεβαιότητες ήταν αρκετά μεγάλες ώστε θα μπορούσαμε να τις κατηγορήσουμε για την ανισότητα.

Το αριστερό ημισφαίριο δείχνει το διαστελλόμενο υπόλειμμα του σουπερνόβα που ανακαλύφθηκε από τον Tycho Brahe το 1572, το οποίο φαίνεται εδώ σε ακτίνες Χ (Πιστώσεις: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). Στα δεξιά είναι ένας χάρτης της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου που εκπέμπεται από τον μισό ουρανό, ο οποίος παρατηρείται στα μικροκύματα. Πίστωση: NASA/WMAP Science Team

Ωστόσο, καθώς οι τεχνικές μέτρησης έχουν βελτιωθεί, οι αβεβαιότητες έχουν μειωθεί και τώρα έχουμε φτάσει σε ένα σημείο όπου μπορούμε να δηλώσουμε με μεγάλη σιγουριά ότι κανένα από τα δύο δεν μπορεί να ισχύει.

Η ρίζα αυτού του «προβλήματος Hubble» – είτε άγνωστα φαινόμενα προωθούν συστηματικά ένα από τα αποτελέσματα, είτε αν δείχνει νέα φυσική που δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί – είναι αυτή τη στιγμή ένα από τα πιο καυτά θέματα στην αστρονομία.

Το επίμονο παράδοξο του Χαμπλ

Η διαστολή του σύμπαντος μετριέται σε «ταχύτητα ανά απόσταση», η οποία είναι λίγο πάνω από 20 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά εκατομμύριο έτη φωτός. Αυτό σημαίνει ότι ένας γαλαξίας που βρίσκεται 100 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά απομακρύνεται από εμάς με ταχύτητα 2000 km/s, ενώ ένας άλλος γαλαξίας που βρίσκεται 200 ​​εκατομμύρια έτη φωτός μακριά απομακρύνεται από εμάς με ταχύτητα 4000 km/s.

Ωστόσο, η χρήση σουπερνόβα για τη μέτρηση των αποστάσεων και των ταχυτήτων των γαλαξιών έχει ως αποτέλεσμα 22,7 ± 0,4 km/s, ενώ η ανάλυση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου έχει ως αποτέλεσμα 20,7 ± 0,2 km/s.

Η προσοχή σε μια τόσο μικρή διαφωνία μπορεί να φαίνεται βαρετή, αλλά μπορεί να είναι πολύ σημαντική. Για παράδειγμα, ο αριθμός εμφανίζεται στον υπολογισμό της ηλικίας του σύμπαντος και οι δύο μέθοδοι παράγουν ηλικία 12,8 και 13,8 δισεκατομμυρίων ετών, αντίστοιχα.

Kilonova: μια νέα προσέγγιση στη μέτρηση

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις έγκειται στον ακριβή προσδιορισμό των αποστάσεων από τους γαλαξίες. Αλλά σε μια νέα μελέτη, ο Albert Snippen, διδακτορικός φοιτητής στην αστροφυσική στο Κέντρο Κοσμικής Αυγής στο Ινστιτούτο Niels Bohr στην Κοπεγχάγη, προτείνει έναν νέο τρόπο μέτρησης των αποστάσεων, που θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση της συνεχιζόμενης διαμάχης.

“Όταν δύο εξαιρετικά συμπαγή αστέρια νετρονίων – τα ίδια υπολείμματα σουπερνόβα – περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο και τελικά συγχωνεύονται, εκρήγνυνται σε μια νέα έκρηξη, αυτή ονομάζεται kilonova”, εξηγεί ο Albert Snepen. “Πρόσφατα δείξαμε πόσο αξιοσημείωτα συμμετρική είναι αυτή η έκρηξη και αποδεικνύεται ότι «Αυτή η συμμετρία δεν είναι μόνο όμορφη, είναι και απίστευτα χρήσιμη».

σε Τρίτη μελέτη Μόλις δημοσιεύτηκε, ο παραγωγικός διδάκτορας αποδεικνύει ότι τα κιλονόβα, αν και πολύπλοκα, μπορούν να περιγραφούν με μία μόνο θερμοκρασία. Αποδεικνύεται ότι η συμμετρία και η απλότητα της kilonova επιτρέπουν στους αστρονόμους να συμπεράνουν πόσο ακριβώς φως εκπέμπει.

Συγκρίνοντας αυτή τη φωτεινότητα με την ποσότητα του φωτός που φτάνει στη Γη, οι ερευνητές μπορούν να υπολογίσουν πόσο μακριά είναι η κιλόνοβα. Έτσι απέκτησαν μια νέα, ανεξάρτητη μέθοδο για τον υπολογισμό της απόστασης από τους γαλαξίες που περιέχουν κιλονόβα.

Ο Darach Watson είναι αναπληρωτής καθηγητής στο Cosmic Dawn Center και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Οι υπερκαινοφανείς, που έχουν χρησιμοποιηθεί μέχρι τώρα για τη μέτρηση των αποστάσεων μεταξύ των γαλαξιών, δεν εκπέμπουν πάντα την ίδια ποσότητα φωτός», εξηγεί. το οποίο με τη σειρά του πρέπει επίσης να βαθμονομηθεί.» Χρησιμοποιώντας kilonovas, μπορούμε να παρακάμψουμε αυτές τις επιπλοκές που προκαλούν αβεβαιότητα στις μετρήσεις.

Προκαταρκτικά αποτελέσματα και μελλοντικά βήματα

Για να αποδείξουν τις δυνατότητές της, οι αστροφυσικοί εφάρμοσαν αυτή τη μέθοδο σε μια κιλόνοβα που ανακαλύφθηκε το 2017. Το αποτέλεσμα είναι μια σταθερά Hubble πιο κοντά στη μέθοδο ακτινοβολίας υποβάθρου, αλλά αν η μέθοδος kilonova είναι σε θέση να λύσει το πρόβλημα Hubble, οι ερευνητές δεν τολμούν ακόμη να πουν:

«Έχουμε μόνο μία μελέτη περίπτωσης μέχρι στιγμής και χρειαζόμαστε περισσότερα παραδείγματα για να καταλήξουμε σε ένα ισχυρό συμπέρασμα», προειδοποιεί ο Albert Sneben. “Αλλά η μέθοδός μας παρακάμπτει τουλάχιστον ορισμένες γνωστές πηγές αβεβαιότητας και είναι ένα πολύ “καθαρό” σύστημα για μελέτη. Δεν απαιτεί βαθμονόμηση ή παράγοντα διόρθωσης.

Αναφορά: «Μέτρηση της σταθεράς Hubble σε κιλονοβάτες με χρήση της μεθόδου διαστελλόμενης φωτόσφαιρας» από τους Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznanski, Oliver Gast, Andreas Bauszyn και Radoslaw Wojtak, 2 Οκτωβρίου 2023, Αστρονομία και αστροφυσική.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306