Att studera de våldsamma kollisioner mellan svarta hål och neutronstjärnor kan snart ge ett nytt mått på universums expansionshastighet, hjälpa till att lösa en långvarig tvist, föreslår en ny simuleringsstudie ledd av forskare vid UCL (University College London).

Våra två för närvarande bästa sätt att uppskatta universums expansionshastighet – att mäta ljusstyrkan och hastigheten hos pulserande och exploderande stjärnor, och titta på fluktuationer i strålning från det tidiga universum – ge mycket olika svar, antyder att vår teori om universum kan vara fel.

En tredje typ av mätning, tittar på explosioner av ljus och krusningar i rymdens väv orsakade av kollisioner med svarta hål-neutronstjärnor, bör hjälpa till att lösa denna oenighet och klargöra om vår teori om universum behöver skrivas om.

Den nya studien, publiceras i Fysiska granskningsbrev , simulerad 25, 000 scenarier av svarta hål och neutronstjärnor som kolliderar, som syftar till att se hur många som sannolikt skulle upptäckas av instrument på jorden i mitten till slutet av 2020-talet.

Forskarna fann att, senast 2030, instrument på jorden kunde känna av krusningar i rymdtiden orsakade av upp till 3, 000 sådana kollisioner, och att för cirka 100 av dessa evenemang, teleskop skulle också se åtföljande explosioner av ljus.

De drog slutsatsen att detta skulle vara tillräckligt med data för att tillhandahålla en ny, helt oberoende mätning av universums expansionshastighet, noggrann och tillförlitlig för att bekräfta eller förneka behovet av ny fysik.

Huvudförfattaren Dr. Stephen Feeney (UCL Physics &Astronomy) sa:"En neutronstjärna är en död stjärna, skapas när en mycket stor stjärna exploderar och sedan kollapsar, och den är otroligt tät - vanligtvis 10 mil över men med en massa upp till dubbelt så stor som vår sol. Dess kollision med ett svart hål är en katastrofal händelse, orsakar krusningar av rymdtid, känd som gravitationsvågor, som vi nu kan upptäcka på jorden med observatorier som LIGO och Jungfrun.

"Vi har ännu inte upptäckt ljus från dessa kollisioner. Men framsteg i känsligheten hos utrustning som upptäcker gravitationsvågor, tillsammans med nya detektorer i Indien och Japan, kommer att leda till ett stort steg framåt när det gäller hur många av dessa typer av händelser vi kan upptäcka. Det är otroligt spännande och borde öppna upp en ny era för astrofysik."

För att beräkna universums expansionshastighet, känd som Hubble-konstanten, astrofysiker behöver veta avståndet mellan astronomiska objekt från jorden samt den hastighet med vilken de rör sig bort. Att analysera gravitationsvågor berättar hur långt borta en kollision är, lämnar endast hastigheten att fastställa.

För att berätta hur snabbt galaxen som är värd för en kollision rör sig bort, vi tittar på ljusets "rödförskjutning" – det vill säga, hur våglängden av ljus som produceras av en källa har sträckts ut av dess rörelse. Explosioner av ljus som kan åtfölja dessa kollisioner skulle hjälpa oss att lokalisera galaxen där kollisionen ägde rum, gör det möjligt för forskare att kombinera mätningar av avstånd och mätningar av rödförskjutning i den galaxen.

Dr Feeney sa:"Datormodeller av dessa katastrofala händelser är ofullständiga och denna studie bör ge extra motivation för att förbättra dem. Om våra antaganden är korrekta, många av dessa kollisioner kommer inte att producera explosioner som vi kan upptäcka – det svarta hålet kommer att svälja stjärnan utan att lämna ett spår. Men i vissa fall kan ett mindre svart hål först slita isär en neutronstjärna innan det sväljer den, potentiellt lämnar materia utanför hålet som avger elektromagnetisk strålning."

Medförfattare Professor Hiranya Peiris (UCL Physics &Astronomy och Stockholms universitet) sa:"Oenigheten om Hubble-konstanten är ett av de största mysterierna inom kosmologi. Förutom att hjälpa oss att reda ut detta pussel, rymdtidens krusningar från dessa katastrofala händelser öppnar ett nytt fönster på universum. Vi kan förutse många spännande upptäckter under det kommande decenniet."

Gravitationsvågor detekteras vid två observatorier i USA (LIGO Labs), en i Italien (Jungfrun), och en i Japan (KAGRA). Ett femte observatorium, LIGO-Indien, är nu under uppbyggnad.

Våra två bästa aktuella uppskattningar av universums expansion är 67 kilometer per sekund per megaparsek (3,26 miljoner ljusår) och 74 kilometer per sekund per megaparsek. Den första härrör från att analysera den kosmiska mikrovågsbakgrunden, strålningen som blev över från Big Bang, medan den andra kommer från att jämföra stjärnor på olika avstånd från jorden – särskilt cepeider, som har variabel ljusstyrka, och exploderande stjärnor som kallas supernovor av typ Ia.

Dr Feeney förklarade:"Eftersom mikrovågsbakgrundsmätningen behöver göras en fullständig teori om universum, men det gör inte stjärnmetoden, oenigheten erbjuder lockande bevis på ny fysik bortom vår nuvarande förståelse. Innan vi kan göra sådana påståenden, dock, vi behöver bekräftelse på oenigheten från helt oberoende observationer - vi tror att dessa kan tillhandahållas genom kollisioner med svarta hål-neutronstjärnor."

Studien utfördes av forskare vid UCL, Imperial College London, Stockholms universitet och Amsterdams universitet. Det stöddes av Royal Society, Vetenskapsrådet (VR), Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, och den nederländska organisationen för vetenskaplig forskning (NWO).