Vetenskapens historia är fylld av berättelser om entusiastiska forskare som sakta vinner över skeptiska kollegor till deras synvinkel. Astrofysikern Scott Hughes kan relatera till dessa berättelser.

"Under de första 15 eller 16 åren av min karriär talade jag med astronomer, och jag hade alltid intrycket att de var artigt intresserade av vad jag hade att säga, men betraktade mig som en lite vildögd entusiast som berättade för dem om en flock enhörningar som mina vänner och jag höll på att föda upp, sa Hughes.

"Nu, " han fortsatte, "det finns folk som går, 'Oh, alla dessa enhörningar du hittade, kan jag använda dem för att lösa mitt problem? Har dina enhörningar vingar? Är de glittrande?'"

Dessa enhörningar är gravitationsvågor, ett område inom fysiken som Hughes är specialiserad på. Medan han arbetade som postdoktor vid UC Santa Barbaras Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP), Hughes och hans kollega, Daniel Holz, var bland de första som föreslog att man skulle använda fenomenet, i kombination med teleskopbaserade observationer, att mäta Hubble-konstanten, en fundamental storhet som är involverad i att beskriva universums expansion.

När universum expanderar, den för bort himmelska föremål från oss. Detta sträcker ut våglängden av ljus vi upptäcker från dessa objekt, får den att sjunka i frekvens precis som en siren på en förbipasserande ambulans. Ju snabbare föremålet drar sig tillbaka, desto mer kommer dess ljus att skifta mot den röda änden av spektrumet. Hubble-konstanten relaterar ett objekts avstånd från jorden till denna rödförskjutning, och därmed objektets hastighet när det förs bort.

Ett av en astronoms bästa verktyg för att beräkna detta är ett standardljus, någon klass av objekt som alltid har samma, standard ljusstyrka. Om forskare känner till ljusstyrkan hos ett föremål, de kan bestämma dess avstånd genom att mäta hur mörkt det ser ut för oss på jorden.

I decennier har forskare försökt få exakta mätningar av Hubble-konstanten för att undersöka varför universum expanderar, och, faktiskt, accelererande. Detta löser sig i slutändan till att mäta objekts rödförskjutningar och matcha dem med oberoende mätningar av objektens avstånd från oss. Dock, dessa två mest exakta mätningar som forskare för närvarande har för Hubble är konstant oense – en oändlig källa till frustration för kosmologer.

Ett frieri

Detta var det kosmologiska landskapet i början av 2000-talet när Holz och Hughes hade positioner som postdoktorala forskare vid KITP. "Scott hade tänkt på gravitationsvågor ett tag, sade Holz. Han var experten, och jag var mycket mer fokuserad på kosmologiska frågor." Men Hughes entusiasm väckte snart Holzs nyfikenhet, och de två började prata om gravitationsvågens kosmologi på kontoret och på promenader längs Santa Barbara-bluffarna.

Holz och Hughes krediterar sitt nära samarbete till byggandet av den nya flygeln i Kohn Hall 2001. Till en början, alla postdoktorer vid KITP hade sina egna kontor, förklarade Hughes, men konstruktionen tvingade dem att fördubblas. "Plötsligt tillbringade vi mycket mer tid med varandra."

Ett KITP-program från 2002 om kosmologiska data väckte lågorna av deras intresse för ämnet. När Hughes lämnade för att börja på fakulteten vid MIT, de hade avslutat det första utkastet av sitt papper som beskriver hur man beräknar Hubble-konstanten med gravitationsvågor. Efter två år i graviditeten publicerade de äntligen studien i The Astrofysisk tidskrift .

"Jag hade en fantastisk tid att skriva den där uppsatsen med Scott, " sa Holz. "Jag lärde mig otroligt mycket. Så mycket att jag var övertygad om att gravitationsvågor var framtiden, och att jag borde engagera mig."

Idén att använda gravitationsvågskällor för att mäta Hubble-konstanten var inte ny. Konceptet föreslogs först i ett visionärt dokument 1986 av Bernard Schutz. Och ett antal andra föreställningar om gravitationsvågor svävade också runt i litteraturen i början av 2000-talet. Men vad Holz och Hughes gjorde var att syntetisera alla dessa idéer och betona möjligheten att kombinera data från gravitationsvågor med uppföljande observationer med hjälp av ljus.

Studien var också den första som använde termen "standardsiren". Hughes mindes att han diskuterade uppsatsen med Caltech-astrofysikern Sterl Phinney, som anmärkte, "Hmm. Ungefär som ett standardljus, men du hör det. Du borde kalla det en standardsiren." Holz hade självständigt ett nästan identiskt samtal med fysikern Sean Carroll, själv en tidigare KITP-postdoc. Holz och Hughes inkluderade termen i sin tidning, och det fastnade. Frasen har sedan dess blivit allestädes närvarande i kosmologin.

"Termen 'standardsiren' kan vara vårt mest bestående bidrag, Scott, " anmärkte Holz. "Jag tar det, " skrattade Hughes.

Att använda gravitationsvågor för att mäta Hubble-konstanten har många fördelar jämfört med andra metoder. Vissa supernovor ger anständiga standardljus, "men, som ett standardljus, supernovor är inte särskilt väl förstådda, " sa Holz. "Det viktigaste som gör standardsirener intressanta är att de förstås från första principer, direkt från den allmänna relativitetsteorin."

När du använder standardljus, forskare måste kalibrera avstånden för vissa klasser av objekt med hjälp av informationen från andra, effektivt hoppar fram till en korrekt avståndsmätning. Astronomer kallar denna metod för en "avståndsstege, " och fel och osäkerhet kan smyga sig in på många punkter i beräkningarna.

I kontrast, gravitationsvågor kan ge en direkt mätning av ett objekts avstånd. "Du skriver bara ner ekvationerna och löser dem, och så är du klar, " sa Holz. "Vi har testat allmän relativitetsteori i hundra år; Det funkar verkligen, och det står "här är hur långt den källan är." Det finns ingen distansstege, det är inget av det som pillar runt."

Alla tidiga artiklar om att mäta Hubble-konstanten med hjälp av gravitationsvågor var något spekulativa, enligt Holz. De var förslag för en lång framtid. "Vi hade inte ens upptäckt gravitationsvågor ännu, mycket mindre vågor från två neutronstjärnor, mycket mindre med en optisk motsvarighet, " sa han. Men intresset och entusiasmen för tekniken växte.

Hughes minns att kollegor kom fram till honom efter hans samtal och frågade om sannolikheten att observera en standardsiren under det kommande decenniet. Han visste inte, men han sa det med en bättre förståelse för den optiska motsvarigheten, de skulle förmodligen kunna lokalisera en händelse till inom 10-20 kvadratgrader. "Och jag tror att om du har det, varje bit av stort glas på jorden kommer att stirra på den där platsen på himlen, " hade Hughes sagt. "Och, i slutet, det var precis vad som hände."

Och sen hände det

Den 17 augusti, 2017, mindre än två år efter detektering av de första gravitationsvågorna, observatorierna LIGO och Jungfrun registrerade en signal från sammanslagna neutronstjärnor. Tack vare ett varningssystem, som Holz hjälpte till att etablera, en uppsjö av aktivitet följde när nästan alla större mark- och rymdbaserade observatorier tränade sina sikte på händelsen. Forskare samlade in data om sammanslagningen i varje region av det elektromagnetiska spektrumet.

"Det är verkligen en av de saker där, om det hade hänt innan jag gick i pension, Jag skulle ha varit glad, ", sa Hughes. "Men det hände faktiskt innan jag fyllde 50."

Plötsligt, gravitationsvågskosmologi var ett verkligt fält, och standardsirener var en annan del av verktygslådan. "Men att något blir en del av verktygslådan så snabbt? Det är utomordentligt ovanligt, sa Holz.

Det visar sig att kosmologer behöver ett annat verktyg, eftersom de för närvarande har två olika värden för Hubble-konstanten. Metoder som använder den kosmiska mikrovågsbakgrunden – svagt ljus kvar från big bang – ger ett värde på cirka 68. Samtidigt, beräkningar som använder supernovor av typ Ia - en mängd olika standardljus - ger lite mer än 73.

Även om de verkar nära, de två värdena skiljer sig faktiskt åt med tre standardavvikelser, och båda har ganska snäva felribbor. Oenigheten har kosmologer alltmer oroade eftersom felstaplarna för dessa två värden bara blir hårdare. Det kan signalera ett grundläggande problem i vår förståelse av universum, och är föremål för en KITP-konferens i juli.

Det finns några inneboende skillnader mellan de två teknikerna, fastän. Den kosmiska mikrovågsbakgrunden återspeglar förhållandena i det tidiga universum, medan supernovorna målar upp en bild av det nuvarande universum. "Det finns en chans att något mycket konstigt och oväntat har hänt mellan universums tidiga och sena dagar, och det är därför dessa värderingar inte överensstämmer, " sa Holz. Men kosmologer vet helt enkelt inte säkert.

Skaffar en till, oberoende värde för Hubble-konstanten kommer att hjälpa till att reda ut denna gåta. "Eftersom det är så rent och så direkt, den mätningen kommer att vara ett mycket övertygande tal, " förklarade Holz. "Åtminstone, det kommer att informera denna diskussion, om inte bara helt lösa det."

Holz och hans kollegor, Hsin-Yu Chen och Maya Fishbach, har just publicerat en artikel i tidskriften Nature, fann att 20 till 30 observationer skulle göra det möjligt för forskare att beräkna Hubble-konstanten med en noggrannhet inom 2 procent, tillräckligt tätt för att börja jämföra det med de två värdena från den kosmiska mikrovågsbakgrunden och supernovorna.

Den här sommaren, Holz är medorganiserande av ett KITP-program om den nya eran av gravitationsvågsfysik och astrofysik, och det nya området för standardsirenkosmologi kommer att bli ett stort diskussionsämne. Faktiskt, Holz hjälpte också till att organisera KITP-programmet för snabb respons som förde forskare samman kort efter LIGO:s första upptäckt av gravitationsvågor.

Holz och Hughes krediterar sin framgång till sina erfarenheter på KITP. "Medan vi arbetade tillsammans på KITP blev vi två entusiastiska över att mäta Hubble-konstanten med hjälp av gravitationsvågor, " sa Holz. "Och det är precis vad KITP handlar om:att föra samman olika människor med olika bakgrunder, rör om i grytan och ser vad som händer."

Under det senaste decenniet har Holzs karriär fokuserat på standardsirenkosmologi. "Och det fantastiska är att vi faktiskt har gjort det, " sa han. "Jag hjälpte till att skriva det papper som gjorde den första standardsirenmätningen någonsin. Det här var precis vad Scott och jag hade antagit om år tidigare."

"Om vi ​​båda inte hade varit på KITP finns det inget sätt att jag skulle spendera en stor del av mitt liv på LIGO-telekonferenser just nu, sade Holz. Men jag skulle inte vilja ha det på något annat sätt.