Tjugo år sedan, forskare blev chockade när de insåg att vårt universum inte bara expanderar, men att det expanderar snabbare över tiden.

Fastställer den exakta expansionshastigheten, kallad Hubble-konstanten efter den berömda astronomen och UChicago-alumnen Edwin Hubble, har varit förvånansvärt svårt. Sedan dess har forskare använt två metoder för att beräkna värdet, och de spottar ur sig bedrövligt olika resultat. Men förra årets överraskande fångst av gravitationsvågor som strålade ut från en kollision med neutronstjärnor erbjöd ett tredje sätt att beräkna Hubble-konstanten.

Det var bara en enda datapunkt från en kollision, men i en ny tidning publicerad 17 oktober in Natur , tre forskare från University of Chicago uppskattar att med tanke på hur snabbt forskare såg den första kollisionen med neutronstjärnor, de skulle kunna ha en mycket exakt mätning av Hubble-konstanten inom fem till tio år.

"Hubble-konstanten berättar om universums storlek och ålder; det har varit en helig gral sedan kosmologins födelse. Att beräkna detta med gravitationsvågor kan ge oss ett helt nytt perspektiv på universum, " sa studieförfattaren Daniel Holz, en UChicago-professor i fysik som var medförfattare till den första sådan beräkningen från 2017 års upptäckt. "Frågan är:När blir det spelförändrande för kosmologin?"

1929, Edwin Hubble meddelade att baserat på sina observationer av galaxer bortom Vintergatan, de verkade röra sig bort från oss – och ju längre bort galaxen, desto snabbare gick det tillbaka. Detta är en hörnsten i Big Bang-teorin, och det startade en nästan sekellångt sökande efter den exakta hastigheten med vilken detta inträffar.

För att beräkna hastigheten med vilken universum expanderar, forskare behöver två siffror. En är avståndet till ett avlägset objekt; den andra är hur snabbt föremålet rör sig bort från oss på grund av universums expansion. Om du kan se det med ett teleskop, den andra kvantiteten är relativt lätt att bestämma, eftersom ljuset du ser när du tittar på en avlägsen stjärna förskjuts till det röda när det drar sig tillbaka. Astronomer har använt det tricket för att se hur snabbt ett föremål rör sig i mer än ett sekel – det är som Dopplereffekten, där en siren ändrar tonläge när en ambulans passerar.

"Stora frågor i beräkningar"

Men att få ett exakt mått på avståndet är mycket svårare. Traditionellt, astrofysiker har använt en teknik som kallas den kosmiska distansstegen, där ljusstyrkan hos vissa variabla stjärnor och supernovor kan användas för att bygga en serie jämförelser som når ut till objektet i fråga. "Problemet är, om du skrapar under ytan, det finns många steg med många antaganden på vägen, " sa Holz.

Kanske är supernovorna som används som markörer inte så konsekventa som man trodde. Kanske misstar vi vissa typer av supernovor för andra, eller så finns det något okänt fel i vår mätning av avstånd till närliggande stjärnor. "Det finns en hel del komplicerad astrofysik där som kan förkasta avläsningar på ett antal sätt, " han sa.

Det andra viktiga sättet att beräkna Hubble-konstanten är att titta på den kosmiska mikrovågsbakgrunden - ljuspulsen som skapades i början av universum, som fortfarande är svagt detekterbar. Även om det är användbart, denna metod bygger också på antaganden om hur universum fungerar.

Det överraskande är att även om forskare som gör varje beräkning är säkra på sina resultat, de stämmer inte överens. Den ena säger att universum expanderar nästan 10 procent snabbare än den andra. "Detta är en viktig fråga inom kosmologi just nu, " sa studiens första författare, Hsin-Yu Chen, sedan doktorand vid UChicago och nu stipendiat med Harvard Universitys Black Hole Initiative.

Sedan plockade LIGO-detektorerna upp sin första krusning i rymdtidens struktur från kollisionen mellan två stjärnor förra året. Detta skakade inte bara observatoriet, men själva astronomiområdet:Att både kunna känna gravitationsvågen och se ljuset av kollisionens efterdyningar med ett teleskop gav forskarna ett kraftfullt nytt verktyg. "Det var en slags pinsamhet av rikedomar, " sa Holz.

Gravitationsvågor erbjuder ett helt annat sätt att beräkna Hubble-konstanten. När två massiva stjärnor kraschar in i varandra, de skickar ut krusningar i rymdtidens struktur som kan upptäckas på jorden. Genom att mäta den signalen, forskare kan få en signatur av massan och energin hos de kolliderande stjärnorna. När de jämför denna läsning med styrkan hos gravitationsvågorna, de kan sluta sig till hur långt bort det är.

Denna mätning är renare och innehåller färre antaganden om universum, vilket borde göra det mer exakt, sa Holz. Tillsammans med Scott Hughes vid MIT, han föreslog idén att göra denna mätning med gravitationsvågor parade med teleskopavläsningar 2005. Den enda frågan är hur ofta forskare kunde fånga dessa händelser, och hur bra data från dem skulle vara.

"Det kommer bara att bli mer intressant"

Tidningen förutspår att när forskare har upptäckt 25 avläsningar från kollisioner med neutronstjärnor, de kommer att mäta universums expansion med en noggrannhet på 3 procent. Med 200 avläsningar, den siffran minskar till 1 procent.

"Det var en ganska överraskning för mig när vi kom in i simuleringarna, " sa Chen. "Det var tydligt att vi kunde nå precision, och vi kunde nå det snabbt."

Ett exakt nytt nummer för Hubble-konstanten skulle vara fascinerande oavsett svaret, sa forskarna. Till exempel, en möjlig orsak till bristen på överensstämmelse i de två andra metoderna är att själva gravitationens natur kan ha förändrats över tiden. Läsningen kan också kasta ljus över mörk energi, en mystisk kraft ansvarig för universums expansion.

"Med kollisionen vi såg förra året, vi hade tur - det var nära oss, så det var relativt lätt att hitta och analysera, sa Maya Fishbach, en UChicago doktorand och den andra författaren på tidningen. "Framtida upptäckter kommer att vara mycket längre bort, men när vi väl får nästa generation av teleskop, vi borde kunna hitta motsvarigheter för dessa avlägsna upptäckter också."

LIGO-detektorerna är planerade att påbörja en ny observationskörning i februari 2019, sällskap av sina italienska motsvarigheter på Jungfrun. Tack vare en uppgradering, detektorernas känslighet kommer att vara mycket högre – vilket ökar antalet och avståndet av astronomiska händelser de kan fånga upp.

"Det kommer bara att bli mer intressant härifrån, " sa Holz.