Gravitationsvågsastronomi ger ett unikt nytt sätt att studera universums expansionshistoria. Den 17 augusti 2017, LIGO- och Virgo-samarbetena upptäckte först gravitationsvågor från ett par neutrontrappor som smälter samman. Gravitationsvågssignalen åtföljdes av en rad motsvarigheter identifierade med elektromagnetiska teleskop.

Denna upptäckt med flera budbärare gjorde det möjligt för astronomer att direkt mäta Hubble-konstanten - en måttenhet som berättar hur snabbt universum expanderar. En nyligen genomförd studie av ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) ledd av forskarna Zhiqiang You och Xingjiang Zhu (Monash University), studerat ett alternativt sätt att göra kosmologi med gravitationsvågobservationer.

I jämförelse med sammanslagningar av neutronstjärnor, svarta håls sammanslagningar är mycket rikligare källor till gravitationsvågor. Medan det bara har upptäckts två sammanslagningar av neutronstjärnor hittills, Samarbeten mellan LIGO och Jungfrun har publicerat 10 binära svarta håls sammanslagningar och dussintals fler kandidater har rapporterats.

Tyvärr, ingen elektromagnetisk emission förväntas från sammanslagningar av svarta hål. Teoretisk modellering av supernovor – kraftfulla och lysande stjärnexplosioner – tyder på att det finns ett gap i massorna av svarta hål runt 45-60 gånger vår sols massa. Vissa ofullständiga bevis som stöder denna massgap hittades i observationer som gjordes i de två första observationskörningarna av LIGO och Jungfrun. Den nya OzGrav-forskningen visar att denna unika egenskap i det svarta hålets masspektrum kan hjälpa till att bestämma expansionshistoriken för vårt universum med enbart gravitationsvågdata.

OzGrav Ph.D. student och första författare Zhiqiang You säger:"Vårt arbete studerade utsikten med tredje generationens gravitationsvågsdetektorer, vilket kommer att tillåta oss att se alla binära svarta håls sammanslagningar i universum."

Förutom Hubble-konstanten, det finns andra faktorer som kan påverka hur svarta hålsmassor fördelas. Till exempel, forskare är fortfarande osäkra på den exakta platsen för det svarta hålets massgap och hur antalet sammanslagningar av svarta hål utvecklas under den kosmiska historien.

Den nya studien visar att det är möjligt att samtidigt mäta svarta håls massor tillsammans med Hubble-konstanten. Det visade sig att en tredje generationens detektor som Einstein-teleskopet eller Cosmic Explorer borde mäta Hubble-konstanten till bättre än en procent inom ett års drift. Dessutom, med bara en veckas observation, studien avslöjade att det är möjligt att särskilja den vanliga kosmologin av mörk energi och mörk materia med dess enkla alternativ.