Astrofysici van de Universiteit van Illinois en de Universiteit van Chicago hebben een nieuwe techniek voorgesteld om de Hubble-constante – de snelheid waarmee het heelal uitdijt – te meten met behulp van het zwakke, onderliggende ‘gezoem’ van zwaartekrachtgolven. Deze benadering heeft, indien verfijnd met toekomstige detectorverbeteringen, het potentieel om het kosmologische begrip te hervormen en een belangrijk conflict in de moderne astrofysica aan te pakken.
De Hubble-spanning en waarom het ertoe doet
Jarenlang hebben astronomen geworsteld met een discrepantie tussen metingen van de Hubble-constante: waarden verkregen door het observeren van het vroege heelal (via de kosmische microgolfachtergrond) botsen met waarden verkregen door het bestuderen van nabijgelegen objecten zoals supernova’s en Cepheid-variabelen. Dit verschil, bekend als de ‘Hubble-spanning’, suggereert dat onze huidige kosmologische modellen mogelijk onvolledig zijn. Het oplossen van deze spanning is cruciaal omdat het zou kunnen wijzen op nieuwe natuurkunde die verder gaat dan het Standaardmodel, zoals donkere energie die zich anders gedraagt dan verwacht, of zelfs het bestaan van voorheen onbekende deeltjes.
Stochastische sirenes: een nieuwe aanpak
De voorgestelde methode is gebaseerd op het analyseren van de ‘stochastische zwaartekrachtgolfachtergrond’ – een zwak, continu gerommel gecreëerd door het gecombineerde signaal van talloze botsingen tussen zwarte gaten in de kosmos. Deze achtergrond is geen enkel duidelijk signaal, maar een subtiel statistisch patroon.
“In plaats van individuele fusies aan te wijzen, kijken we naar het collectieve gemompel van al deze gebeurtenissen”, legt professor Nicolás Yunes van de Universiteit van Illinois uit. “Door de snelheid waarmee deze botsingen op verschillende afstanden plaatsvinden statistisch te analyseren, kunnen we de uitdijingssnelheid van het heelal afleiden.”
Het team noemt deze techniek de ‘stochastische sirene’-methode. In tegenstelling tot traditionele methoden die afhankelijk zijn van het observeren van specifieke gebeurtenissen (zoals supernova’s), maakt deze benadering rechtstreeks gebruik van het weefsel van de ruimtetijd zelf, waardoor een onafhankelijke meting mogelijk wordt.
Hoe het werkt
Het kernidee is simpel: de snelheid waarmee botsingen tussen zwarte gaten plaatsvinden, hangt af van hoe snel het heelal uitdijt. Fusies op grotere afstand lijken minder vaak voor te komen, omdat het heelal zich verder heeft uitgestrekt sinds de gebeurtenis heeft plaatsgevonden. Door dit effect zorgvuldig te modelleren, kunnen astrofysici de Hubble-constante uit de zwaartekrachtgolfachtergrond halen.
“We verwachten dat er nog veel meer gebeurtenissen zullen plaatsvinden die we niet kunnen waarnemen, wat de zwaartekrachtgolfachtergrond wordt genoemd”, zegt Bryce Cousins, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Illinois. “De sleutel is om de snelheid van deze niet-waarneembare gebeurtenissen statistisch af te leiden.”
Toekomstperspectieven
Momenteel zijn zwaartekrachtgolfdetectoren niet gevoelig genoeg om de stochastische achtergrond rechtstreeks waar te nemen. Er worden echter binnen de komende zes jaar verbeteringen in de detectortechnologie verwacht. Naarmate deze instrumenten krachtiger worden, zou de stochastische sirenemethode een hoeksteen van de precisiekosmologie kunnen worden. Zelfs vóór een volledige detectie kan de methode de bovengrenzen van de Hubble-constante beperken, waardoor aanvullende gegevenspunten in het voortdurende debat worden opgeleverd.
“Dit is een opwindende en compleet nieuwe richting”, aldus professor Daniel Holz van de Universiteit van Chicago. “Door die informatie op te nemen, verwachten we betere kosmologische resultaten te krijgen en dichter bij het oplossen van de Hubble-spanning te komen.”
Het werk van het team zal worden gepubliceerd in Physical Review Letters, dat een gedetailleerd wiskundig raamwerk biedt voor toekomstige toepassingen. De methode vertegenwoordigt een veelbelovende stap in de richting van het verfijnen van ons begrip van de geschiedenis van de uitdijing van het heelal.
De ontwikkeling van deze techniek onderstreept het groeiende belang van zwaartekrachtgolfastronomie, die zich snel ontwikkelt als een krachtig instrument voor het onderzoeken van de fundamentele eigenschappen van de kosmos.
