Gravitacijski valovi nude neovisnu mjeru širenja svemira

Svemir se širi, ali kad pokušamo izmjeriti koliko brzo, kozmologija se spotiče o vlastitu računicu. Različite, međusobno konzistentne metode ne daju istu vrijednost današnje brzine širenja, Hubbleove konstante. Razlika između mjerenja iz ranog svemira i onih iz kasnog svemira toliko je uporna da je dobila ime: Hubbleova napetost, jedan od najvećih otvorenih problema moderne kozmologije.

Tim astrofizičara, kozmologa i fizičara s Grainger College of Engineering pri Sveučilištu Illinois Urbana-Champaign te sa Sveučilišta u Chicagu sada predlaže novu, neovisnu rutu do Hubbleove konstante, temeljenu na gravitacijskim valovima, sitnim “naborima” prostorvremena. Njihov cilj nije samo još jedna procjena iste veličine, nego metoda koja može postati sve preciznija kako detektori budu osjetljiviji, i koja bi mogla pomoći da se napokon razjasni je li Hubbleova napetost trag nove fizike ili posljedica nečega što još krivo mjerimo.

Profesor fizike u Illinoisu Nicolás Yunes kaže: “Ovaj rezultat je vrlo značajan, važno je dobiti neovisno mjerenje Hubbleove konstante kako bi se riješila trenutačna Hubbleova napetost. Naša metoda je inovativan način da se poveća preciznost zaključivanja o Hubbleovoj konstanti pomoću gravitacijskih valova.” Yunes je osnivač i ravnatelj Centra za napredna istraživanja svemira pri Sveučilištu Illinois Urbana-Champaign (ICASU) na kampusu u Urbani.

Suautor rada, profesor fizike te astronomije i astrofizike na Sveučilištu u Chicagu Daniel Holz, ističe koliko je pristup neuobičajen: “Ne događa se svaki dan da dobijete sasvim novi alat za kozmologiju. Pokazujemo da iz pozadinskog šuma gravitacijskih valova, nastalog spajanjima crnih rupa u udaljenim galaksijama, možemo izvući informacije o dobi i sastavu svemira. To je uzbudljiv, potpuno nov smjer i veselimo se primjeni naših metoda na buduće skupove podataka, kako bismo bolje suzili vrijednost Hubbleove konstante, ali i drugih ključnih kozmoloških veličina.”

Dva načina mjerenja, dvije vrijednosti

Od ranog 20. stoljeća mjerenja širenja svemira uglavnom se oslanjaju na dvije skupine pristupa: na elektromagnetska opažanja, dakle na svjetlost, i na podatke iz gravitacijskih valova. Klasični “svjetlosni” put često se oslanja na metodu standardne svijeće, u kojoj su supernove ključni orijentiri. Budući da su to iznimno sjajne eksplozije umirućih zvijezda s poznatim svojstvima, iz njih se može izračunati udaljenost, a zatim usporediti s brzinom udaljavanja izvora, pa dobiti brzinu širenja svemira.

Pojava gravitacijsko-valne astronomije otvorila je paralelnu mogućnost. Gravitacijski valovi nastaju u sudarima kompaktnih objekata, poput crnih rupa, i šire se svemirom brzinom svjetlosti. Na Zemlji ih hvata globalna mreža detektora kojom upravlja suradnja LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), organizacija s više od 2.000 članova.

U tom pristupu udaljenost do spajanja crnih rupa može se odrediti iz samog oblika i jačine gravitacijskog vala, gotovo kao da signal nosi vlastitu “mjeru udaljenosti”. Problem je druga polovica jednadžbe. Brzina udaljavanja izvorišta zbog širenja svemira ne može se izravno očitati iz gravitacijskog signala, pa astronomi moraju ili uhvatiti svjetlost povezanu s događajem ili pronaći njegovu galaksiju domaćina.

Kad bi sve bilo posloženo kako očekujemo, sve bi metode dale podudarne vrijednosti Hubbleove konstante. No ne daju. Ako se Hubbleova napetost ne uspije razriješiti, moguće je da ona upućuje na nešto novo o ranom svemiru. Predložena objašnjenja, kako ih navodi tim, uglavnom uključuju promjene u sastavu ili ponašanju energije ranog svemira. Među idejama su rana tamna energija, zamišljena kao dodatna komponenta koja potiče ubrzano širenje, zatim interakcije između tamne tvari, nevidljivog oblika tvari koji čini većinu tvari u svemiru, i neutrina, elementarnih čestica koje djeluju putem gravitacije, kao i scenariji u kojima se dinamika tamne energije mijenja tijekom vremena.

Pozadina koju još ne čujemo

Novi prijedlog polazi od događaja koje detektori još ne mogu pojedinačno registrirati. Umjesto da se oslanjaju samo na pojedinačna spajanja crnih rupa, Yunes, Bryce Cousins i suradnici koriste gravitacijsko-valnu pozadinu, zbirni signal nastao od velikog broja udaljenih spajanja u različitim galaksijama, preslabih da bi se izdvojila kao pojedinačni događaji.

“Budući da opažamo pojedinačne sudare crnih rupa, možemo odrediti stope tih sudara kroz svemir. Na temelju tih stopa očekujemo da postoji još mnogo događaja koje ne možemo opažati, što se zove gravitacijsko-valna pozadina”, objašnjava Cousins.

Ključni mehanizam koji tim ističe vezan je uz to kako Hubbleova konstanta mijenja “ukupni volumen” prostora u kojem se sudari događaju. Pri nižim vrijednostima Hubbleove konstante taj bi volumen bio manji, što znači veću gustoću sudara u prostoru. Veća gustoća bi, prema njihovoj analizi, pojačala gravitacijsko-valnu pozadinu. Zato izostanak detekcije pozadine može služiti kao argument protiv preniskih vrijednosti Hubbleove konstante: ako bi svemir danas doista širio “sporo”, pozadinski signal bi trebao biti jači, a činjenica da ga ne vidimo isključuje takav scenarij.

Metodu su nazvali metodom “stohastične sirene” (stochastic siren method), naglašavajući da se sudari koji čine pozadinu događaju stohastički, odnosno bez pravilnog rasporeda koji bi ih olakšao izdvojiti. Tim ju je primijenio na postojeće podatke LVK suradnje. Kao dokaz načela pokazali su da samo nedetektiranje gravitacijsko-valne pozadine već pruža dokaz protiv sporih stopa širenja svemira. Zatim su stohastičnu sirenu kombinirali s mjerenjima dobivenima iz pojedinačnih sudara crnih rupa, kako bi dobili precizniju procjenu brzine širenja. Prema njihovom opisu rezultata, ta kombinacija pokazuje da je metoda izvediva i pomiče izmjerenu vrijednost Hubbleove konstante u područje u kojem se Hubbleova napetost očituje.

Najveći adut ove ideje je što bi s vremenom trebala postajati sve snažnija. Kako osjetljivost gravitacijsko-valnih detektora raste, metoda može davati sve preciznija ograničenja Hubbleove konstante. Tim očekuje da bi gravitacijsko-valna pozadina mogla biti detektirana u sljedećih šest godina. Do tada, čak i bez pune detekcije, stohastična sirena može “gurati” ograničenja prema sve višim vrijednostima Hubbleove konstante, kako se gornje granice jačine pozadine budu poboljšavale, i tako nuditi dodatnu provjeru Hubbleove napetosti.

“Ovo bi trebalo utrti put primjeni metode u budućnosti dok nastavljamo povećavati osjetljivost, bolje ograničavati gravitacijsko-valnu pozadinu i možda je čak i detektirati”, kaže Cousins. “Uključivanjem tih informacija očekujemo bolje kozmološke rezultate i da ćemo biti bliže rješavanju Hubbleove napetosti.”