A neutroncsillagok ütközései rávilágítanak az univerzum tágulására

A Niels Bohr Intézet a kilonovák (neutroncsillagok egyesüléséből származó robbanások) használatát javasolja az univerzum tágulási sebességének mérési eltéréseinek orvoslására. A kezdeti eredmények ígéretesek, de érvényesítésükhöz további esetekre van szükség.

Az elmúlt években a csillagászat egy kis válságba került: bár tudjuk, hogy az univerzum tágul, és bár nagyjából tudjuk, milyen gyorsan halad, a tágulás mérésének két alapvető módja nem egyezik. A Niels Bohr Intézet asztrofizikusai most egy új módszert javasolnak, amely segíthet feloldani ezt a feszültséget.

Az univerzum tágul

Ezt azóta tudjuk, hogy Edwin Hubble és más csillagászok körülbelül 100 évvel ezelőtt megmérték a környező galaxisok sebességét. Az univerzum galaxisait ez a tágulás „lelöki” egymástól, ezért távolodnak egymástól.

Minél nagyobb a távolság két galaxis között, annál gyorsabban távolodnak el egymástól, és ennek a mozgásnak a pontos sebessége az egyik legalapvetőbb mennyiség a modern kozmológiában. A tágulást leíró számot Hubble-állandónak nevezik, és az univerzum és összetevői számos különböző egyenletében és modelljében szerepel.

A galaxisok többé-kevésbé mozdulatlanok a térben, de maga a tér tágul. Emiatt a galaxisok egyre gyorsabban távolodnak el egymástól. Az azonban, hogy pontosan milyen gyorsan, rejtély. Kredit: ISO/L. Calada. A galaxisok többé-kevésbé mozdulatlanok a térben, de maga a tér tágul. Emiatt a galaxisok egyre gyorsabban távolodnak el egymástól. Az azonban, hogy pontosan milyen gyorsan, rejtély. Kredit: ISO/L. Calada

Hubble probléma

Az univerzum megértéséhez a lehető legpontosabban kell ismernünk a Hubble-állandót. Számos módja van a mérésnek; A módszerek egymástól függetlenek, de szerencsére majdnem ugyanazt az eredményt adják.

Vagyis majdnem…

Elvileg a legegyszerűbb intuitív módja annak megértésének, hogy Edwin Hubble és munkatársai egy évszázaddal ezelőtt használtak: egy galaxiscsoport helyét meghatározzák, és megmérik távolságukat és sebességüket. A gyakorlatban ez úgy történik, hogy felrobbanó csillagokkal rendelkező galaxisokat keresnek, vagy ún Szupernóvák. Ezt a módszert egy másik módszer egészíti ki, amely a szabálytalanságokat elemzi az ún Kozmikus háttérsugárzás; A fény ősi formája, amely nem sokkal későbbre nyúlik vissza a nagy robbanás.

A két módszer – a szupernóva módszer és a háttérsugárzás módszer – mindig némileg eltérő eredményt adott. De minden mérés bizonytalansággal jár, és néhány évvel ezelőtt a bizonytalanságok elég nagyok voltak ahhoz, hogy őket okolhattuk az eltérésért.

A bal féltekén a Tycho Brahe által 1572-ben felfedezett szupernóva táguló maradványa látható, itt röntgensugárzásban (Köszönetnyilvánítás: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). A jobb oldalon a fél égboltból kiáramló kozmikus háttérsugárzás térképe látható, amelyet mikrohullámokban figyelnek meg. Köszönetnyilvánítás: NASA/WMAP Science Team

A mérési technikák javulásával azonban a bizonytalanságok csökkentek, és mostanra eljutottunk arra a pontra, ahol nagy biztonsággal kijelenthetjük, hogy egyik sem lehet igaz.

Ennek a „Hubble-problémának” a gyökere – hogy az ismeretlen hatások szisztematikusan torzítják-e valamelyik eredményt, vagy olyan új fizikára utal, amelyet még nem fedeztek fel – jelenleg a csillagászat egyik legforróbb témája.

A kitartó Hubble-paradoxon

Az univerzum tágulását „távolságonkénti sebességben” mérik, ami alig több mint 20 kilométer/másodperc millió fényévenként. Ez azt jelenti, hogy egy 100 millió fényévnyire található galaxis 2000 km/s sebességgel távolodik tőlünk, míg egy másik 200 millió fényévnyire lévő galaxis 4000 km/s sebességgel távolodik tőlünk.

A szupernóvák használata a galaxisok távolságának és sebességének mérésére azonban 22,7 ± 0,4 km/s, míg a kozmikus háttérsugárzás elemzése 20,7 ± 0,2 km/s-ot eredményez.

Egy ilyen kisebb nézeteltérésre odafigyelni unalmasnak tűnhet, de nagyon fontos lehet. Például a szám megjelenik az univerzum korának kiszámításakor, és a két módszer 12,8, illetve 13,8 milliárd éves kort eredményez.

Kilonova: a mérés új megközelítése

Az egyik legnagyobb kihívás a galaxisok távolságának pontos meghatározása. Ám egy új tanulmányban Albert Snippen, a koppenhágai Niels Bohr Intézet Kozmikus Hajnal Központjának asztrofizikából doktorandusza új módszert javasol a távolságok mérésére, ami segíthet rendezni a folyamatban lévő vitát.

„Amikor két rendkívül kompakt neutroncsillag – maguk is szupernóva-maradványok – keringenek egymás körül, és végül egyesülnek, új robbanásban robbannak fel; ezt nevezik kilonovának” – magyarázza Albert Snepen. „Nemrég megmutattuk, milyen rendkívül szimmetrikus ez a robbanás. Kiderült, hogy „Ez a szimmetria nemcsak gyönyörű, hanem hihetetlenül hasznos is.”

ban ben Harmadik tanulmány A most publikált termékeny PhD-hallgató bemutatja, hogy a kilonovák, bár összetettek, egyetlen hőmérséklettel is leírhatók. Kiderült, hogy a kilonova szimmetriája és egyszerűsége lehetővé teszi a csillagászoknak, hogy pontosan megállapítsák, mennyi fényt bocsát ki.

Ezt a fényességet a Földet érő fény mennyiségével összehasonlítva a kutatók kiszámíthatják, milyen messze van a kilonova. Ezzel egy új, független módszert kaptak a kilonovákat tartalmazó galaxisok távolságának kiszámítására.

Darach Watson a Cosmic Dawn Center docense és a tanulmány társszerzője. „A szupernóvák, amelyeket eddig galaxisok közötti távolság mérésére használtak, nem mindig bocsátanak ki ugyanannyi fényt” – magyarázza. „Továbbá először megkövetelik, hogy kalibráljuk a távolságot egy másik csillagtípus, az úgynevezett cefeida csillagok segítségével. amit viszont kalibrálni is kell.” Kilonovák segítségével kikerülhetjük ezeket a mérési bizonytalanságot okozó bonyodalmakat.

Előzetes eredmények és további lépések

Az asztrofizikusok ezt a módszert egy 2017-ben felfedezett kilonovára alkalmazták, hogy bizonyítsák a benne rejlő lehetőségeket. Az eredmény egy a háttérsugárzási módszerhez közelebb álló Hubble-állandó, de hogy a kilonova-módszer képes-e megoldani a Hubble-problémát, a kutatók egyelőre nem merik megmondani:

„Eddig csak egy esettanulmányunk van, és további példákra van szükségünk, mielőtt határozott következtetésre juthatunk” – figyelmeztet Albert Sneben. „Módszerünk azonban megkerül legalább néhány ismert bizonytalansági forrást, és nagyon „tiszta” rendszer a tanulmányozáshoz. Nem igényel kalibrálást vagy korrekciós tényezőt.

Hivatkozás: „A Hubble-állandó mérése kilonovátokban expanziós fotoszféra módszerrel”, Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznanski, Oliver Gast, Andreas Bauzayn és Radoslaw Wojtak, 2023. október 2. Csillagászat és asztrofizika.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306