Sedan det först exploderade för 13,8 miljarder år sedan, universum har expanderat, drar med sig hundratals miljarder galaxer och stjärnor, ungefär som russin i en snabbt stigande deg.

Astronomer har riktat teleskop mot vissa stjärnor och andra kosmiska källor för att mäta deras avstånd från jorden och hur snabbt de rör sig bort från oss - två parametrar som är viktiga för att uppskatta Hubble -konstanten, en måttenhet som beskriver den hastighet med vilken universum expanderar.

Men hittills, de mest exakta ansträngningarna har landat på mycket olika värden av Hubble -konstanten, erbjuder ingen definitiv upplösning på exakt hur snabbt universum växer. Denna informationen, forskare tror, kunde belysa universums ursprung, liksom dess öde, och om kosmos kommer att expandera på obestämd tid eller i slutändan kollapsa.

Nu har forskare från MIT och Harvard University föreslagit ett mer exakt och oberoende sätt att mäta Hubble -konstanten, med hjälp av gravitationella vågor som avges av ett relativt sällsynt system:en svart hål-neutronstjärna binär, en enormt energisk parning av ett spiralformat svart hål och en neutronstjärna. När dessa föremål cirklar in mot varandra, de bör producera rymdskakande gravitationella vågor och en blixt av ljus när de slutligen kolliderar.

I ett papper som ska publiceras den 12 juli Fysiska granskningsbrev , forskarna rapporterar att ljusblixten skulle ge forskare en uppskattning av systemets hastighet, eller hur snabbt den rör sig bort från jorden. De utsända gravitationsvågorna, om det upptäcks på jorden, bör ge en oberoende och exakt mätning av systemets avstånd. Även om binära bin i svarta hål-neutronstjärnor är otroligt sällsynta, forskarna beräknar att upptäcka även några få bör ge det mest exakta värdet ännu för Hubble -konstanten och hastigheten för det expanderande universum.

"Svarthåls-neutronstjärna binärer är mycket komplicerade system, som vi vet väldigt lite om, "säger Salvatore Vitale, biträdande professor i fysik vid MIT och huvudförfattare till tidningen. "Om vi ​​upptäcker en, priset är att de potentiellt kan ge ett dramatiskt bidrag till vår förståelse av universum. "

Vitales medförfattare är Hsin-Yu Chen från Harvard.

Konkurrerande konstanter

Två oberoende mätningar av Hubble -konstanten gjordes nyligen, en med NASA:s rymdteleskop Hubble och en annan med hjälp av European Space Agency:s Planck -satellit. Hubble -rymdteleskopets mätning baseras på observationer av en typ av stjärna som kallas en Cepheid -variabel, liksom på observationer av supernovor. Båda dessa föremål betraktas som "standardljus, "för deras förutsägbara ljusmönster, som forskare kan använda för att uppskatta stjärnans avstånd och hastighet.

Den andra typen av uppskattning är baserad på observationer av fluktuationerna i den kosmiska mikrovågsbakgrunden - den elektromagnetiska strålning som blev över i omedelbara efterdyningar av Big Bang, när universum fortfarande var i sin linda. Även om observationerna av båda sonderna är extremt exakta, deras uppskattningar av Hubble -konstanten håller inte signifikant med.

"Det är där LIGO kommer in i spelet, "Säger Vitale.

LIGO, eller Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, detekterar gravitationella vågor-krusningar i Jell-O av rymdtid, produceras av katastrofala astrofysiska fenomen.

"Gravitationsvågor ger ett mycket direkt och enkelt sätt att mäta avstånden till deras källor, "Säger Vitale." Det vi upptäcker med LIGO är ett direkt avtryck av avståndet till källan, utan någon extra analys. "

År 2017, forskare fick sin första chans att uppskatta Hubble-konstanten från en gravitationsvågskälla, när LIGO och dess italienska motsvarighet Virgo upptäckte ett par kolliderande neutronstjärnor för första gången. Kollisionen släppte en enorm mängd gravitationella vågor, som forskare mätte för att bestämma systemets avstånd från jorden. Fusionen släppte också en blixt av ljus, som astronomer fokuserade på med mark- och rymdteleskop för att bestämma systemets hastighet.

Med båda mätningarna, forskare beräknade ett nytt värde för Hubble -konstanten. Dock, uppskattningen kom med en relativt stor osäkerhet på 14 procent, mycket mer osäker än de värden som beräknats med hjälp av rymdteleskopet Hubble och Planck -satelliten.

Vitale säger att mycket av osäkerheten härrör från det faktum att det kan vara utmanande att tolka en neutronstjärns binära avstånd från jorden med hjälp av de gravitationsvågor som just detta system avger.

"Vi mäter avståndet genom att titta på hur" högljudd "gravitationsvågen är, vilket betyder hur tydligt det är i våra data, "Säger Vitale." Om det är väldigt tydligt, du kan se hur högt det är, och det ger avståndet. Men det är bara delvis sant för neutronstjärna binärer. "

Det beror på att dessa system, som skapar en virvlande skiva av energi när två neutronstjärnor spiraler in mot varandra, avger gravitationsvågor på ett ojämnt sätt. Majoriteten av gravitationella vågor skjuter rakt ut från skivans mitt, medan en mycket mindre bråkdel slipper ut kanterna. Om forskare upptäcker en "hög" gravitationsvågssignal, det kan indikera ett av två scenarier:de detekterade vågorna härstammar från kanten av ett system som ligger mycket nära jorden, eller vågorna härrör från mitten av ett mycket vidare system.

"Med neutronstjärna binärer, det är väldigt svårt att skilja mellan dessa två situationer, "Säger Vitale.

En ny våg

Under 2014, innan LIGO gjorde den första upptäckten av gravitationella vågor, Vitale och hans kollegor observerade att ett binärt system som består av ett svart hål och en neutronstjärna kan ge en mer exakt avståndsmätning, jämfört med neutronstjärna binärer. Teamet undersökte hur exakt man kunde mäta ett svart håls snurr, med tanke på att föremålen är kända för att snurra på sina axlar, på samma sätt som jorden men mycket snabbare.

Forskarna simulerade en mängd olika system med svarta hål, inklusive binära binärer med svart hål och neutronstjärnor. Som en biprodukt av denna ansträngning, laget märkte att de mer exakt kunde bestämma avståndet till binära binärer med svart hål-neutronstjärnor, jämfört med binärer i neutronstjärnor. Vitale säger att detta beror på att det svarta hålet snurrar runt neutronstjärnan, vilket kan hjälpa forskare att bättre identifiera varifrån i systemet gravitationsvågorna kommer.

"På grund av denna bättre avståndsmätning, Jag trodde att binära bin i svarta hål-neutronstjärnor skulle kunna vara en konkurrenskraftig sond för att mäta Hubble-konstanten, "Säger Vitale." Sedan dess har mycket har hänt med LIGO och upptäckten av gravitationella vågor, och allt detta sattes på bakbrännaren. "

Vitale gick nyligen tillbaka till sin ursprungliga observation, och i detta nya papper, han gav sig ut för att svara på en teoretisk fråga:

"Är det faktum att varje svart hål-neutronstjärna binär kommer att ge mig ett bättre avstånd kommer att kompensera för det faktum att potentiellt, det finns mycket färre av dem i universum än neutronstjärna binära? "säger Vitale.

För att svara på denna fråga, laget körde simuleringar för att förutsäga förekomsten av båda typerna av binära system i universum, samt noggrannheten i deras avståndsmätningar. Från deras beräkningar, de kom fram till att även om neutrons binära system översteg antalet svarta hål-neutronstjärnsystem med 50-1, den senare skulle ge en Hubble -konstant med samma noggrannhet som den förra.

Mer optimistiskt, om binära bin i svarta hål-neutronstjärnor var något vanligare, men fortfarande sällsynta än binära bin i neutronstjärnor, den förra skulle producera en Hubble -konstant som är fyra gånger så exakt.

"Än så länge, människor har fokuserat på binära neutronstjärnor som ett sätt att mäta Hubble -konstanten med gravitationella vågor, "Vitale säger." Vi har visat att det finns en annan typ av gravitationsvågkälla som hittills inte har utnyttjats så mycket:svarta hål och neutronstjärnor som spiraler samman, "Säger Vitale." LIGO kommer att börja ta data igen i januari 2019, och det blir mycket känsligare, vilket betyder att vi kommer att kunna se föremål längre bort. Så LIGO borde se minst en svart hål-neutronstjärna binär, och så många som 25, vilket hjälper till att lösa den befintliga spänningen i mätningen av Hubble -konstanten, förhoppningsvis de närmaste åren. "