Ett svart hål är vanligtvis där information försvinner - men forskare kan ha hittat ett knep för att använda sina sista ögonblick för att berätta om universums historia.

I en ny studie publicerad i Physical Review Letters , lade två astrofysiker vid University of Chicago fram en metod för hur man använder par av kolliderande svarta hål för att mäta hur snabbt vårt universum expanderar – och därmed förstå hur universum utvecklats, vad det är gjort av och vart det är på väg.

Särskilt tror forskarna att den nya tekniken, som de kallar en "spektral siren", kanske kan berätta för oss om de annars svårfångade "tonåren" i universum.

En kosmisk härskare

En stor pågående vetenskaplig debatt är exakt hur snabbt universum expanderar - ett tal som kallas Hubble-konstanten. De olika metoderna som är tillgängliga hittills ger lite olika svar, och forskare är ivriga att hitta alternativa sätt att mäta denna takt. Att kontrollera riktigheten av detta nummer är särskilt viktigt eftersom det påverkar vår förståelse av grundläggande frågor som universums ålder, historia och sammansättning.

Den nya studien erbjuder ett sätt att göra denna beräkning, med hjälp av speciella detektorer som fångar upp de kosmiska ekon av svarta hålskollisioner.

Ibland kommer två svarta hål att slå in i varandra - en händelse så kraftfull att den bokstavligen skapar en krusning i rum-tiden som färdas över universum. Här på jorden kan U.S. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) och det italienska observatoriet Virgo fånga upp dessa krusningar, som kallas gravitationsvågor.

Under de senaste åren har LIGO och Jungfrun samlat in avläsningarna från nästan 100 par svarta hål som kolliderar.

Signalen från varje kollision innehåller information om hur massiva de svarta hålen var. Men signalen har färdats över rymden, och under den tiden har universum expanderat, vilket förändrar signalens egenskaper. "Till exempel, om du tog ett svart hål och placerade det tidigare i universum, skulle signalen förändras och det skulle se ut som ett större svart hål än vad det egentligen är", förklarade astrofysikern Daniel Holz vid UChicago, en av de två författarna om papper.

Om forskare kan komma på ett sätt att mäta hur den signalen förändrades, kan de beräkna universums expansionshastighet. Problemet är kalibrering:Hur vet de hur mycket det ändrades från originalet?

I sin nya artikel föreslår Holz och första författaren Jose María Ezquiaga att de kan använda vår nyvunna kunskap om hela populationen av svarta hål som ett kalibreringsverktyg. Till exempel tyder nuvarande bevis på att de flesta av de upptäckta svarta hålen har mellan fem och 40 gånger massan av vår sol. "Så vi mäter massorna av de närliggande svarta hålen och förstår deras egenskaper, och sedan tittar vi längre bort och ser hur mycket de ytterligare ser ut att ha förskjutits", säger Ezquiaga, en NASA Einstein Postdoc och Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow arbetar med Holz på UChicago. "Och detta ger dig ett mått på universums expansion."

Författarna kallar det "spektral siren"-metoden, ett nytt tillvägagångssätt för "standardsiren"-metoden som Holz och medarbetare har varit banbrytande. (Namnet är en referens till "standardljus"-metoderna som också används inom astronomi.)

Forskarna är entusiastiska eftersom metoden i framtiden, när LIGO:s kapacitet expanderar, kan ge ett unikt fönster in i universums "tonåringar" – för ungefär 10 miljarder år sedan – som är svåra att studera med andra metoder.

Forskare kan använda den kosmiska mikrovågsbakgrunden för att titta på universums allra tidigaste ögonblick, och de kan se sig omkring på galaxer nära vår egen galax för att studera universums nyare historia. Men mellanperioden är svårare att nå, och det är ett område av särskilt vetenskapligt intresse.

"Det var runt den tiden som vi bytte från att mörk materia var den dominerande kraften i universum till att mörk energi tog över, och vi är mycket intresserade av att studera denna kritiska övergång", säger Ezquiaga.

Den andra fördelen med denna metod, sa författarna, är att det finns färre osäkerheter som skapas av luckor i vår vetenskapliga kunskap. "Genom att använda hela populationen av svarta hål kan metoden kalibrera sig själv, direkt identifiera och korrigera för fel," sa Holz. De andra metoderna som används för att beräkna Hubble-konstanten förlitar sig på vår nuvarande förståelse av stjärnornas och galaxernas fysik, vilket involverar mycket komplicerad fysik och astrofysik. Det betyder att mätningarna kan försvinna en hel del om det är något vi inte vet ännu.

Däremot bygger denna nya svarta hålsmetod nästan enbart på Einsteins gravitationsteori, som är välstuderad och har stått emot alla sätt som forskare har försökt testa den hittills.

Ju fler avläsningar de har från alla svarta hål, desto mer exakt blir denna kalibrering. "Vi behöver helst tusentals av dessa signaler, som vi borde ha om några år, och ännu fler under de kommande decennierna eller två", sa Holz. "Vid den tidpunkten skulle det vara en otroligt kraftfull metod att lära sig om universum." + Utforska vidare

Hur många stjärnor kolliderar så småningom som svarta hål? Universum har en budget för det