På morgonen den 17 augusti, 2017, efter att ha rest i mer än hundra miljoner år, efterskalv från en massiv kollision i en galax långt, långt bort nådde äntligen jorden.

Dessa krusningar i rymdtidens struktur, kallade gravitationsvågor, utlöste larm vid två ultrakänsliga detektorer som kallas LIGO, skickar sms som flyger och forskare klättrar. En av forskarna var prof. Daniel Holz vid University of Chicago. Upptäckten hade gett honom den information han behövde för att göra en banbrytande ny mätning av ett av de viktigaste siffrorna inom astrofysik: Hubbles konstant, vilket är den hastighet med vilken universum expanderar.

Hubble-konstanten innehåller svaren på stora frågor om universum, som dess storlek, ålder och historia, men de två huvudsakliga sätten att bestämma dess värde har gett avsevärt olika resultat. Nu fanns det en tredje väg, som skulle kunna lösa en av de mest angelägna frågorna inom astronomi - eller det kan befästa den smygande misstanken, innehas av många på fältet, att det är något väsentligt som saknas i vår modell av universum.

"På ett ögonblick, vi hade en helt ny, helt oberoende sätt att göra en mätning av en av fysikens mest djupgående storheter, sade Holz. Den dagen kommer jag att minnas hela mitt liv.

När LIGO vänder tillbaka den 1 april, Holz och andra forskare förbereder sig för mer data som kan belysa några av universums största frågor.

Universella frågor

Vi har vetat att universum expanderar under lång tid (ända sedan den framstående astronomen och UChicago-alunen Edwin Hubble gjorde den första mätningen av expansionen 1929, faktiskt) men 1998, forskare blev häpnadsväckande när de upptäckte att expansionshastigheten inte avtar när universum åldras, men faktiskt accelererar över tiden. Under de följande decennierna, när de försökte bestämma kursen exakt, det har blivit uppenbart att olika metoder för att mäta hastigheten ger olika svar.

En av de två metoderna mäter ljusstyrkan hos supernovor – exploderande stjärnor – i avlägsna galaxer; den andra tittar på små fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, det svaga ljuset som blev över från Big Bang. Forskare har arbetat i två decennier för att öka noggrannheten och precisionen för varje mätning, och att utesluta alla effekter som kan äventyra resultaten; men de två värdena är fortfarande envist oense med nästan 10 procent.

Eftersom supernovametoden tittar på relativt närliggande objekt, och den kosmiska mikrovågsbakgrunden är mycket äldre, det är möjligt att båda metoderna är rätt – och att något djupgående med universum har förändrats sedan tidernas begynnelse.

"Vi vet inte om en eller båda av de andra metoderna har något slags systematiskt fel, eller om de faktiskt återspeglar en grundläggande sanning om universum som saknas i våra nuvarande modeller, sade Holz. Antingen är möjlig.

Holz såg möjligheten till en tredje, helt oberoende sätt att mäta Hubble-konstanten – men det skulle bero på en kombination av tur och extrema ingenjörsprestationer.

"Standardsirenen"

Under 2005, Holz skrev en artikel med Scott Hughes från Massachusetts Institute of Technology som antydde att det skulle vara möjligt att beräkna Hubble-konstanten genom en kombination av gravitationsvågor och ljus. De kallade dessa källor "standardsirener, " en nick till "standardljus", som hänvisar till supernovorna som används för att göra Hubble konstantmätning.

Men först skulle det ta år att utveckla teknik som kunde fånga upp något så tillfälligt som krusningar i rymdtidens struktur. Det är LIGO:en uppsättning enorma, extremt känsliga detektorer som är inställda för att fånga upp gravitationsvågorna som sänds ut när något stort händer någonstans i universum.

Den 17 augusti, 2017 års vågor kom från två extremt tunga neutronstjärnor, som hade snurrat runt och runt varandra i en avlägsen galax innan de slutligen smällde ihop med nära ljusets hastighet. Kollisionen skickade gravitationsvågor som skvalpade över universum och släppte också en ljusskur, som plockades upp av teleskop på och runt jorden.

Det där ljuset var det som gjorde att den vetenskapliga världen hamnade i stök. LIGO hade plockat upp gravitationsvågavläsningar tidigare, men alla de föregående var från kollisioner av två svarta hål, som inte kan ses med konventionella teleskop.

Men de kunde se ljuset från de kolliderande neutronstjärnorna, och kombinationen av vågor och ljus låste upp en skattkammare av vetenskapliga rikedomar. Bland dem var de två uppgifterna som Holz behövde för att göra sin beräkning av Hubble konstant.

Hur fungerar metoden?

För att göra denna mätning av Hubble konstant (uppkallad efter banbrytande vetenskapsman och UChicago-alun Edwin Hubble), du behöver veta hur snabbt ett objekt – som ett nyligen kolliderat par neutronstjärnor – drar sig undan från jorden, och hur långt borta det var till att börja med. Ekvationen är förvånansvärt enkel. Det ser ut så här:Hubble-konstanten är objektets hastighet dividerat med avståndet till objektet, eller H=v/d.

Något kontraintuitivt, den enklaste delen att beräkna är hur snabbt föremålet rör sig. Tack vare det starka efterskenet från kollisionen, astronomer kunde rikta teleskop mot himlen och peka ut galaxen där neutronstjärnorna kolliderade. Då kan de dra nytta av ett fenomen som kallas rödförskjutning:När ett avlägset objekt rör sig bort från oss, färgen på ljuset det avger skiftar något mot den röda änden av spektrumet. Genom att mäta färgen på galaxens ljus, de kan använda denna rodnad för att uppskatta hur snabbt galaxen rör sig bort från oss. Detta är ett hundraårigt trick för astronomer.

Den svårare delen är att få ett exakt mått på avståndet till föremålet. Det är här gravitationsvågor kommer in. Signalen som LIGO-detektorerna tar upp tolkas som en kurva, så här:

Signalens form talar om för forskarna hur stora de två stjärnorna var och hur mycket energi kollisionen gav ifrån sig. Genom att jämföra det med hur starka vågorna var när de nådde jorden, de kunde sluta sig till hur långt borta stjärnorna måste ha varit.

Det initiala värdet från bara den här standardsirenen kom ut att vara 70 kilometer per sekund per megaparsek. Det är mitt emellan de två andra metoderna, som hittar cirka 73 (från supernovametoden) och 67 (från den kosmiska mikrovågsbakgrunden).

Självklart, det är bara en enda datapunkt. Men LIGO-detektorerna slås på igen efter en uppgradering för att öka deras känslighet. Även om ingen vet exakt hur ofta neutronstjärnor kolliderar, Holz var medförfattare till en artikel som uppskattar att gravitationsvågsmetoden kan ge en revolutionerande, extremt exakt mätning av Hubble-konstanten inom fem år.

"Eftersom tiden går, vi kommer att observera fler och fler av dessa sammanslagningar av binära neutronstjärnor, och använd dem som standardsirener för att stadigt förbättra vår uppskattning av Hubble-konstanten. Beroende på vart vårt värde faller, vi kan bekräfta den ena eller den andra metoden. Eller så kanske vi hittar ett helt annat värde, " sa Holz. "Oavsett vad vi hittar, det kommer att bli intressant – och kommer att vara ett viktigt steg i att lära sig mer om vårt universum."