Gravitationswellen können helfen, das kosmische Rätsel der universellen Expansion zu lösen

Messungen von Gravitationswellen in den kommenden Jahrzehnten werden die Debatte darüber regeln, wie schnell sich das Universum ausdehnt, so neue Forschungsergebnisse.

Der Kosmos wächst seit 13,8 Milliarden Jahren. Die derzeitige Expansionsrate, die als „Hubble-Konstante“ bezeichnet wird, gibt die seit dem Urknall verstrichene Zeit an.

Die beiden besten Methoden zur Messung der Hubble-Konstante - das Produkt der Arbeit von Edwin Hubble und Georges Lemaître in den 1920er Jahren und eine der wichtigsten Zahlen in der Kosmologie - haben jedoch widersprüchliche Ergebnisse. Dies deutet darauf hin, dass unser Verständnis der Struktur und Geschichte des Universums - des „kosmologischen Standardmodells“ - und seiner Expansionsrate möglicherweise falsch ist.

Künstlerische Darstellung einer Neutronensternfusion und der daraus resultierenden Wellen im Raum, die mit LIGO gemessen werden können

Hiranya Peiris, Mitautorin der UCL-Professorin für Physik und Astronomie, sagt: „[Die Hubble-Konstante] ist wichtig, um die Krümmung des Raums und das Alter des Universums abzuschätzen und sein Schicksal zu erforschen.

„Wir können die Hubble-Konstante mit zwei Methoden messen - eine mit Cepheid-Sternen und Supernovae im lokalen Universum und eine mit Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung aus dem frühen Universum - aber diese Methoden liefern nicht die gleichen Werte, was bedeutet Unser kosmologisches Standardmodell könnte fehlerhaft sein. “

Die Studie, die heute in Physical Review Letters eines internationalen Teams veröffentlicht wurde, dem Kosmologen des University College London (UCL) und des Flatiron Institute angehören, zeigt, wie neue unabhängige Daten von Gravitationswellen, die von 50 binären Neutronensternen, sogenannten „Standardsirenen“, emittiert werden, die Sackgasse zwischen ihnen durchbrechen die widersprüchlichen Messungen ein für alle Mal.

Dr. Stephen Feeney vom Center for Computational Astrophysics am Flatiron Institute in New York City, der Hauptautor des Papiers, sagt: „Wir haben berechnet, dass wir durch Beobachtung von 50 binären Neutronensternen im nächsten Jahrzehnt über ausreichende Gravitationswellendaten verfügen werden unabhängig bestimmen die beste Messung der Hubble-Konstante

"Wir sollten in der Lage sein, innerhalb von 5 bis 10 Jahren genügend Fusionen zu erkennen, um diese Frage zu beantworten."

Feeney, Peiris und Kollegen entwickelten eine universell einsetzbare Technik, mit der berechnet wird, wie Gravitationswellendaten das Problem lösen.

Gravitationswellen werden emittiert, wenn binäre Neutronensterne aufeinander zu spiralisieren, bevor sie in einem hellen Lichtblitz kollidieren, der von Teleskopen erfasst werden kann. UCL-Forscher waren im August 2017 an der Detektion des ersten Lichts eines Gravitationswellenereignisses beteiligt.

Binäre Neutronensternereignisse sind selten, aber von unschätzbarem Wert, um einen anderen Weg zur Verfolgung der Expansion des Universums zu finden. Die von ihnen emittierten Gravitationswellen verursachen räumliche Wellen, die vom Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium (LIGO) und den Jungfrauenexperimenten erfasst werden können und eine genaue Messung der Entfernung des Systems von der Erde ermöglichen.

Durch zusätzliches Erfassen des Lichts der begleitenden Explosion können Astronomen die Geschwindigkeit des Systems bestimmen und somit die Hubble-Konstante nach dem Hubble-Gesetz berechnen.

Für diese Studie modellierten die Forscher, wie viele solcher Beobachtungen erforderlich wären, um das Problem der genauen Messung der Hubble-Konstante zu lösen.

Professor Peiris fasst zusammen: "Dies wird wiederum zu einem möglichst genauen Bild der Expansion des Universums führen und uns helfen, das kosmologische Standardmodell zu verbessern."

Originalforschung: https://www.simonsfoundation.org/2019/02/14/neutron-stars-hubble-constant/