Αστροφυσική, Διάστημα Θεωρίες φυσικής

Τα βαρυτικά κύματα μας αποκαλύπτουν την σταθερά Hubble και το πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν

Written by Δ.Μ.

Το 2016 οι αστρονόμοι πραγματοποίησαν την πρώτη ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων εξ αιτίας της συγχώνευσης δύο μαύρων οπών. Και έτσι μας έδωσε έναν εντελώς νέο τρόπο να δούμε τον Κόσμο. Τώρα πια δεν περιοριζόμαστε από την εκπομπή και την απορρόφηση του φωτός από την ύλη. Μπορούμε να εξερευνήσουμε το σύμπαν μέσα από κυματισμούς στον ιστό του ίδιου του χωροχρόνου. Μέσα δε από πρόσφατες παρατηρήσεις μπορούμε να μελετήσουμε την πιο μυστηριώδη άποψη του χωροχρόνου, γνωστή και ως σκοτεινή ενέργεια.

Share

Το 2016 οι αστρονόμοι πραγματοποίησαν την  πρώτη ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων εξ αιτίας της συγχώνευσης δύο μαύρων οπών. Και έτσι μας έδωσε έναν εντελώς νέο τρόπο να δούμε τον Κόσμο. Τώρα πια δεν περιοριζόμαστε από την εκπομπή και την απορρόφηση του φωτός από την ύλη. Μπορούμε να εξερευνήσουμε το σύμπαν μέσα από κυματισμούς στον ιστό του ίδιου του χωροχρόνου. Μέσα δε από πρόσφατες παρατηρήσεις μπορούμε να μελετήσουμε την πιο μυστηριώδη άποψη του χωροχρόνου, γνωστή και ως σκοτεινή ενέργεια.

neutron-stars-merge

Καλλιτεχνική απεικόνιση δύο συγχωνευμένων άστρων νετρονίων

Η σκοτεινή ενέργεια είναι αυτό που προκαλεί την διαστολή του ίδιου του σύμπαντος. Αποτελεί περίπου το 70% του σύμπαντος, αλλά δεν γνωρίζουμε πραγματικά τι είναι. Ένας λόγος γι ‘αυτό είναι ότι δεν γνωρίζουμε με ακρίβεια πόσο διαστέλλεται το σύμπαν. Η κοσμική διαστολή τυπικά καθορίζεται από την παράμετρο – σταθερά Hubble H 0 . Επειδή το σύμπαν διαστέλλεται, οι πιο μακρινοί γαλαξίες φαίνεται να απομακρύνονται από εμάς γρηγορότερα από τους κοντινότερους γαλαξίες. Η ταχύτητα ενός μακρινού γαλαξία σχετίζεται με την απόσταση του, από τον γνωστό τύπο v = H 0 d. Μπορούμε, ως γνωστόν, να μετρήσουμε την ταχύτητα ενός γαλαξία μέσω της ερυθρής μετατόπισης του φωτός του (redshift). Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του γαλαξία, τόσο περισσότερο το φως μετατοπίζεται προς μεγαλύτερα (ερυθρά) μήκη κύματος.

Γνωρίζοντας λοιπόν την απόσταση ενός γαλαξία και την παρατηρούμενη ερυθρή μετατόπιση του φωτός του (redshift), μπορούμε να προσδιορίσουμε την παράμετρο Hubble. Όταν το κάνουμε αυτό για πολλούς γαλαξίες, βρίσκουμε μια τιμή περίπου H 0 = 67,6 (km / s) / Mpc. Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα. Δεν μπορούμε να μετρήσουμε άμεσα τις αποστάσεις σ τους πιο μακρινούς γαλαξίες. Χρησιμοποιούμε γι αυτούς τη γνωστή ως κλίμακα κοσμικής απόστασης , όπου χρησιμοποιούμε έναν τύπο μέτρησης για να προσδιορίσουμε την απόσταση των κοντινών άστρων και χρησιμοποιούμε αυτό το αποτέλεσμα σε άλλες παρατηρήσεις για να μετρήσουμε τις αποστάσεις σε κοντινούς γαλαξίες και μετά χρησιμοποιούμε αυτό το αποτέλεσμα για να μετρήσουμε πιο απομακρυσμένους γαλαξίες κοκ. Κάθε βήμα στην κλίμακα έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του, και εάν ένα σκαλοπάτι στην κλίμακα δεν είναι ακριβής, γίνεται λάθος σε όλα τα άλλα.

 

distlad

Διάφορες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στη σκάλα κοσμικής απόστασης

Ευτυχώς, έχουμε και άλλους τρόπους μέτρησης της παραμέτρου –σταθεράς Hubble. Ένας από αυτούς είναι μέσα από το Κοσμικό Μικροκυματικό Υπόβαθρο . Αυτή η εναπομένουσα ηχώ του Big Bang έχει μικρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Το μέγεθος αυτών των διακυμάνσεων μας αποκαλύπτει μεταξύ των άλλων και το ρυθμό της κοσμικής διαστολής. Παρατηρήσεις από τον δορυφόρο Planck έδωσαν μία τιμή της σταθεράς Hubble περίπου H 0 = 67,7 (km / s) / Mpc.

Όμως άλλες μέθοδοι μέτρησης της σταθεράς Hubble δίνουν ελαφρώς διαφορετικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, μια μέθοδος εξέτασε το πώς το φως βγαίνει με τη βοήθεια βαρυτικού φακού από μακρινούς γαλαξίες. Ο βαρυτικός φακός μπορεί να δημιουργήσει πολλές εικόνες απομακρυσμένων υπερκαινοφανών, και καθώς κάθε εικόνα κάνει μια διαφορετική διαδρομή γύρω από τον γαλαξία, φθάνουν σε διαφορετικούς χρόνους. Ο χρονισμός αυτών των εικόνων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της σταθεράς Hubble και το αποτέλεσμα δίνει, περίπου, H 0 = 71,9 (km / s) / Mpc. Μια άλλη διαφορετική μέθοδος χρησιμοποιεί τους μακρινούς σουπερνόβα και δίνει ένα αποτέλεσμα πολύ υψηλό, H 0 = 73 (km / s) / Mpc. Ποια είναι λοιπόν η πραγματική τιμή της παραμέτρου Hubble;

Εδώ έρχονται προς βοήθεια μας τα κύματα βαρύτητας. Όλες οι μετρήσεις της σταθεράς Hubble H μέχρι στιγμής βασίζονται σε παρατηρήσεις φωτός. Τα κύματα βαρύτητας όμως μας παρέχουν μια εντελώς νέα μέθοδο μέτρησης των κοσμικών αποστάσεων. Καθώς αρχίζουν να συγχωνεύονται δύο μαύρες τρύπες ή άστρα νετρονίων, κάνουν μια σπειροειδή κίνηση όλο και περισσότερο μεταξύ τους, δημιουργώντας κύματα βαρύτητας που μπορούμε να εντοπίσουμε. Η συχνότητα αυτών των κυμάτων εξαρτάται από τις μάζες τους και οι μάζες τους καθορίζουν πόση ενέργεια παράγουν όταν συγχωνευθούν. Συγκρίνοντας την ενέργεια που παράγουν με την ισχύ των κυμάτων βαρύτητας που παρατηρούμε, γνωρίζουμε την απόσταση τους. Αυτός ο τρόπος είναι παρόμοιος με τον τρόπο που χρησιμοποιούνται τα Τυποποιημένα Κεριά στην οπτική αστρονομία, όπου γνωρίζουμε την πραγματική φωτεινότητα ενός άστρου ή γαλαξία και τη συγκρίνουμε με την παρατηρούμενη φωτεινότητα του για τον προσδιορισμό της απόστασης. Στην πραγματικότητα, αυτή η νέα μέθοδος έχει ονομαστεί Τυποποιημένη Σειρήνα (standard siren). Η δε ιδέα για τη χρήση πηγών βαρυτικών κυμάτων ως Τυποποιημένων Σειρήνων προτάθηκε από τον Bernard Schutz το 1986 .

Αλλά η απόσταση δεν είναι αρκετή για να καθορίσει την παράμετρο – σταθερά του Hubble. Πρέπει, επίσης, να καθορίσουμε την ταχύτητά του που απομακρύνεται από εμάς. Δεν μπορούμε να μετρήσουμε την ερυθρή μετατόπιση των βαρυτικών κυμάτων, και γι’ αυτό δεν μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε για να μετρήσουμε την ταχύτητα. Αλλά όταν συγχωνεύονται δύο άστρα νετρονίων, παράγουν τόσο βαρυτικά κύματα όσο και φως. Για μια τέτοια συγχώνευση, παρατηρήσαμε όχι μόνο το παραγόμενο φως αλλά και την ερυθρή μετατόπισή του. Από αυτή μπορούμε να βρούμε την παράμετρο Hubble. Δεδομένου ότι η απόσταση βρίσκεται απευθείας από τα κύματα βαρύτητας, δεν βασίζεται στην Κλίμακα της Κοσμικής Απόστασης ή ένα υποτιθέμενο μοντέλο της κοσμικής διαστολής. Έτσι από αυτό το γεγονός βρέθηκε ότι H 0 = 70 (km / s) / Mpc.

Ενώ αυτό το αποτέλεσμα δείχνει μια μεγαλύτερη σταθερά Hubble H 0 , η αβεβαιότητα του αποτελέσματος είναι πραγματικά μεγάλη. Βάσει των δεδομένων, θα μπορούσε να είναι από 82 έως 62 km / s) / Mpc. Όμως αυτή η τιμή H 0 = 70 (km / s) / Mpc προέρχεται μόνο από μία μέτρηση. Καθώς θα παρατηρούνται περισσότερες συγχωνεύσεις, θα έχουμε ακριβέστερα αποτελέσματα. Έτσι τα κύματα βαρύτητας θα μας βοηθήσουν να καταγράψουμε καλύτερα την σταθερά Hubble.

Πηγή:  The LIGO Scientific Collaboration, et al. A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant. Nature 551, 85–88. doi:10.1038/nature24471 (2017)

About the author

Δ.Μ.

Share