Ett team av internationella forskare, leds av det galiciska institutet för högenergifysik (IGFAE) och ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), har föreslagit en enkel och ny metod för att få ner noggrannheten i Hubble-konstantmätningarna till 2 % genom att använda en enda observation av ett par sammanslagna neutronstjärnor.

Universum är i kontinuerlig expansion. På grund av detta, avlägsna objekt som galaxer rör sig bort från oss. Faktiskt, ju längre bort de är, desto snabbare rör sig de. Forskare beskriver denna expansion genom ett känt nummer som kallas Hubble-konstanten, som berättar hur snabbt objekt i universum drar sig undan från oss beroende på deras avstånd till oss. Genom att mäta Hubble-konstanten på ett exakt sätt, vi kan också bestämma några av universums mest grundläggande egenskaper, inklusive dess ålder.

I årtionden, forskare har mätt Hubbles konstant med ökande noggrannhet, samlar in elektromagnetiska signaler som sänds ut i hela universum men kommer fram till ett utmanande resultat:de två nuvarande bästa mätningarna ger inkonsekventa resultat. Sedan 2015, forskare har försökt ta itu med denna utmaning med vetenskapen om gravitationsvågor, krusningar i tyget av rum-tid som färdas med ljusets hastighet. Gravitationsvågor genereras i de mest våldsamma kosmiska händelserna och ger en ny kanal för information om universum. De sänds ut under kollisionen mellan två neutronstjärnor - de täta kärnorna av kollapsade stjärnor - och kan hjälpa forskare att gräva djupare i Hubbles ständiga mysterium.

Till skillnad från svarta hål, sammanslagna neutronstjärnor producerar både gravitationsvågor och elektromagnetiska vågor, som röntgen, radiovågor och synligt ljus. Medan gravitationsvågor kan mäta avståndet mellan neutronstjärnans sammanslagning och jorden, elektromagnetiska vågor kan mäta hur snabbt hela dess galax rör sig bort från jorden. Detta skapar ett nytt sätt att mäta Hubble-konstanten. Dock, även med hjälp av gravitationsvågor, det är fortfarande svårt att mäta avståndet till sammanslagningar av neutronstjärnor – det vill säga, till viss del, varför aktuella gravitationsvågbaserade mätningar av Hubble-konstanten har en osäkerhet på ~16%, mycket större än befintliga mätningar med andra traditionella tekniker.

I en nyligen publicerad artikel i Astrofysiska tidskriftsbrev , ett team av vetenskapsmän ledda av ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) och Monash University alumner Prof Juan Calderón Bustillo (nu La Caixa Junior Leader och Marie Curie Fellow vid Galiciska institutet för högenergifysik vid University of Santiago de Compostela , Spanien), har föreslagit en enkel och ny metod för att få ner noggrannheten för dessa mätningar till 2 % med en enda observation av ett par sammanslagna neutronstjärnor.

Enligt prof Calderón Bustillo, det är svårt att tolka hur långt bort dessa sammanslagningar sker eftersom "för närvarande, vi kan inte säga om binären är väldigt långt borta och vänd mot jorden, eller om det är mycket närmare, med jorden i dess omloppsplan." För att välja mellan dessa två scenarier, laget föreslog att studera sekundärt, mycket svagare komponenter i gravitationsvågsignalerna som sänds ut av neutronstjärnesammanslagningar, känd som högre lägen.

"Precis som en orkester spelar olika instrument, sammanslagningar av neutronstjärnor sänder ut gravitationsvågor genom olika lägen, " förklarar prof Calderón Bustillo. "När de sammanslagna neutronstjärnorna är vända mot dig, du kommer bara att höra det starkaste instrumentet. Dock, om du är nära sammanslagningens omloppsplan, du bör också höra de sekundära. Detta gör att vi kan bestämma lutningen av neutron-stjärnans sammanslagning, och bättre mäta avståndet."

Dock, metoden är inte helt ny:"Vi vet att detta fungerar bra för fallet med mycket massiva svarta hålssammanslagningar eftersom våra nuvarande detektorer kan registrera sammanslagningsögonblicket när de högre lägena är mest framträdande. Men när det gäller neutronstjärnor, tonhöjden på sammanslagningssignalen är så hög att våra detektorer inte kan registrera den. Vi kan bara spela in de tidigare banorna, säger prof Calderón Bustillo.

Framtida gravitationsvågsdetektorer, som det föreslagna australiensiska projektet NEMO, kommer att kunna komma åt själva fusionsstadiet för neutronstjärnor. "När två neutronstjärnor smälter samman, kärnfysiken som styr deras materia kan orsaka mycket rika signaler som, om det upptäcks, skulle kunna tillåta oss att veta exakt var jorden sitter med avseende på omloppsplanet för sammanslagningen, " säger medförfattaren och OzGravs chefsutredare Dr. Paul Lasky, från Monash University. Dr. Lasky är också en av ledarna i NEMO-projektet. "En detektor som NEMO kunde upptäcka dessa rika signaler, " han lägger till.

I deras studie, teamet utförde datorsimuleringar av neutron-stjärnsammanslagningar som kan avslöja effekten av stjärnornas kärnfysik på gravitationsvågorna. Att studera dessa simuleringar, teamet fastställde att en detektor som NEMO kunde mäta Hubbles konstant med en precision på 2 %.

Medförfattare till studien Prof Tim Dietrich, från universitetet i Potsdam, säger:"Vi fann att fina detaljer som beskriver hur neutroner beter sig inuti stjärnan producerar subtila signaturer i gravitationsvågorna som i hög grad kan hjälpa till att bestämma universums expansionshastighet. Det är fascinerande att se hur effekter på den minsta kärnskala kan sluta sig till vad som händer vid den största möjliga kosmologiska."

Samson Leong, student vid The Chinese University of Hong Kong och medförfattare till studien påpekar "en av de mest spännande sakerna med vårt resultat är att vi fick en så stor förbättring samtidigt som vi övervägde ett ganska konservativt scenario. Medan NEMO verkligen kommer att vara känsligt för utsläpp av sammanslagningar av neutronstjärnor, mer utvecklade detektorer som Einstein Telescope eller Cosmic Explorer kommer att bli ännu känsligare, därför tillåter oss att mäta universums expansion med ännu bättre noggrannhet!"

En av de mest framstående implikationerna av denna studie är att den kan avgöra om universum expanderar likformigt i rymden som för närvarande hypoteser. "Tidigare metoder för att uppnå denna nivå av noggrannhet bygger på att kombinera många observationer, antar att Hubble-konstanten är densamma i alla riktningar och genom hela universums historia, " säger Calderón Bustillo. "I vårt fall, varje enskild händelse skulle ge en mycket exakt uppskattning av "sin egen Hubble-konstant, "så att vi kan testa om detta faktiskt är en konstant eller om det varierar över rum och tid."