Astrofyzici z University of Illinois a University of Chicago navrhli novou metodu měření Hubbleovy konstanty – rychlosti, kterou se vesmír rozpíná – pomocí slabého „hučení“ gravitačních vln na pozadí. Tento přístup, pokud bude zdokonalen budoucími vylepšeními detektorů, by mohl změnit naše chápání kosmologie a vyřešit klíčový konflikt v moderní astrofyzice.
Neustálý problém Hubblea a proč na něm záleží
Po celá léta se astronomové potýkají s nesrovnalostmi v měření Hubbleovy konstanty: hodnoty získané z pozorování raného vesmíru (z kosmického mikrovlnného pozadí) jsou v rozporu s hodnotami odvozenými ze studií blízkých objektů, jako jsou supernovy a cefeidy. Tento rozdíl, známý jako “Hubbleovo napětí”, naznačuje, že naše současné kosmologické modely mohou být neúplné. Vyřešení tohoto napětí je kritické, protože by mohlo poukázat na novou fyziku nad rámec Standardního modelu, jako je temná energie, která se nechová podle očekávání, nebo dokonce na existenci dříve neznámých částic.
Stochastické sirény: Nový přístup
Navrhovaná metoda je založena na analýze “stochastického pozadí gravitačních vln” – slabého, nepřetržitého dunění vytvářeného kombinovaným signálem z bezpočtu srážek černých děr v celém vesmíru. Toto pozadí není jediný jasný signál, ale jemný statistický vzorec.
“Spíše než na přesné určení jednotlivých fúzí se podíváme na kolektivní šepot všech těchto událostí,” vysvětlil profesor University of Illinois Nicholas Younes. “Statistickou analýzou rychlosti, s jakou se tyto srážky vyskytují v různých vzdálenostech, můžeme odvodit rychlost expanze vesmíru.”
Tým nazývá tuto techniku metodou „stochastické sirény“. Na rozdíl od tradičních metod, které se spoléhají na pozorování specifických událostí (jako jsou supernovy), tento přístup přímo využívá strukturu samotného časoprostoru a nabízí nezávislý rozměr.
Jak to funguje
Základní myšlenka je jednoduchá: rychlost, s jakou dochází ke srážkám černých děr, závisí na tom, jak rychle se vesmír rozpíná. Vzdálenější sloučení se zdá být méně časté, protože vesmír se od té doby protáhl dále. Pečlivým simulováním tohoto efektu mohou astrofyzici extrahovat Hubbleovu konstantu z pozadí gravitačních vln.
“Očekáváme, že bude mnohem více událostí, které nebudeme schopni pozorovat, nazývaných pozadí gravitačních vln,” řekl Bryce Cousins, postgraduální student na University of Illinois. “Klíčem je statisticky odvodit míru těchto nepozorovaných událostí.”
Budoucí vyhlídky
V současné době nejsou detektory gravitačních vln dostatečně citlivé, aby přímo pozorovaly stochastické pozadí. Očekává se však, že během příštích šesti let dojde ke zlepšení technologie detektorů. Jak se tyto nástroje stávají výkonnějšími, metoda stochastických sirén by se mohla stát základním kamenem přesné kosmologie. Dokonce i před úplnou detekcí by metoda mohla omezit horní limity Hubbleovy konstanty a poskytnout další datové body pro probíhající debatu.
„Je to vzrušující a zcela nový směr,“ dodal profesor z Chicagské univerzity Daniel Holtz. “Začleněním těchto informací očekáváme, že získáme lepší kosmologické výsledky a přiblížíme se k vyřešení Hubbleova napětí.”
Práce týmu bude publikována v Physical Review Letters a nabídne podrobný matematický základ pro budoucí aplikace. Tato metoda představuje slibný krok k upřesnění našeho chápání historie expanze vesmíru.
Vývoj této techniky zdůrazňuje rostoucí význam astronomie gravitačních vln, která se rychle stává mocným nástrojem pro zkoumání základních vlastností vesmíru.
