Jak zderzenia gwiazd neutronowych mogą rozwiązać „kryzys kosmologiczny”

Astrofizycy proponują obserwację zderzających się gwiazd neutronowych (kilonowych) jako nowy sposób eliminowania rozbieżności w pomiarach tempa ekspansji Wszechświata, którego celem jest rozwiązanie utrzymującego się „napięcia Hubble’a”.

Według niektórych członków społeczności astrofizycznej w ostatnich latach doszło do czegoś w rodzaju „kryzysu w kosmologii”. Chociaż wszyscy astronomowie są świadomi, że Wszechświat się rozszerza, występują pewne niespójności w pomiarach tego tempa (znanego również jako stała Hubble’a). Problem ten wynika z Kosmiczna drabina odległościAstronomowie używają różnych metod pomiaru odległości względnych w dłuższych skalach. Obejmuje to dokonywanie lokalnych szacunków odległości na podstawie pomiarów paralaksy, pobliskich gwiazd zmiennych i supernowych („świec standardowych”).

Wykonują również pomiary przesunięcia ku czerwieni Kosmiczne tło mikrofalowe (CMB), promieniowanie resztkowe pozostałe z wielka eksplozjaAby określić odległości kosmiczne. Rozbieżność między tymi dwiema metodami jest znana jako „Napięcie Hubble’a„, a astronomowie chcą go rozwiązać.

Nowe podejście do pomiaru stałej Hubble’a

W niedawnym badaniu międzynarodowy zespół astrofizyków z Instytutu Nielsa Bohra zaproponował nowy sposób pomiaru ekspansji kosmicznej. Twierdzą, że obserwując zderzające się gwiazdy neutronowe (kilonowe), astronomowie mogą złagodzić stres i uzyskać spójne pomiary stałej Hubble’a.

Badania te nadzorowali astrofizycy z Centrum Kosmicznego Świtu (Fajr) i Instytut Nielsa Bohra Na Uniwersytecie w Kopenhadze. Dołączyli do nich badacze z Uniwersytetu w Tel Awiwie Cahill Centrum Astrofizyki (Instytut Technologiczny w Kalifornii). Centrum Badań Ciężkich Jonów GSI Helmholtza, Laboratorium Astrofizyczne Wielkiego Wybuchu, Akademia Badawcza Helmholtza w Hesji dla FAIRoraz ciemny Grupa badawcza w Instytucie Nielsa Bohra. Niedawno w czasopiśmie ukazał się artykuł opisujący ich badania Astronomia i astrofizyka.

Galaktyki są mniej więcej nieruchome w przestrzeni, ale sama przestrzeń się rozszerza. Powoduje to, że galaktyki oddalają się od siebie ze stale rosnącą szybkością. Jednak dokładnie to, jak szybko, pozostaje tajemnicą. Źródło: ISO/L. Kalada. Galaktyki są mniej więcej nieruchome w przestrzeni, ale sama przestrzeń się rozszerza. Powoduje to, że galaktyki oddalają się od siebie ze stale rosnącą szybkością. Jednak dokładnie to, jak szybko, pozostaje tajemnicą. Źródło: ISO/L. Kalada

Kontekst historyczny ekspansji wszechświata

Ekspansja Wszechświata jest czymś, co astronomowie wiedzą od ponad wieku dzięki Edwinowi Hubble’owi. Obserwując galaktyki i mierząc ich krzywe blasku pod kątem przesunięcia ku czerwieni, wykazał, że im dalej znajduje się galaktyka, tym szybciej się od niej oddala. droga Mleczna. To potwierdza to, co wielu podejrzewało Ogólna teoria względności EinsteinaKtóra przewidywała, że ​​Wszechświat albo się rozszerza, albo kurczy. Mierząc prędkość, z jaką inne galaktyki oddalają się od naszej Galaktyki, naukowcy próbowali zmierzyć stałą Hubble’a.

To tempo ekspansji mierzone jest w „prędkości na odległość”, a najnowsze szacunki wskazują, że wynosi ono nieco ponad 20 km/s ( ) na milion lat świetlnych. Oznacza to, że galaktyka oddalona o 100 milionów lat świetlnych oddala się od nas z prędkością 2000 kilometrów na sekundę, podczas gdy inna galaktyka oddalona o 200 milionów lat świetlnych oddala się od nas z prędkością 4000 kilometrów na sekundę (2485 mil na sekundę). Jednak wykorzystanie supernowych do pomiaru odległości i prędkości galaktyk daje wynik 22,7 ± 0,4 km/s, podczas gdy analiza CMB daje wynik 20,7 ± 0,2 km/s. To może nie wydawać się dużo, ale różnica pozwala również na bardzo różne szacunki wieku Wszechświata – odpowiednio 12,8 w porównaniu z 13,8 miliarda lat.

Nowe rozwiązania i nowe badania

Choć spodziewano się powrotu niepewności do początków XX wieku, techniki pomiarowe poczyniły ogromne postępy, a rozbieżności między pomiarami zmniejszyły się. W rezultacie astronomowie i kosmolodzy doszli obecnie do punktu, w którym mogą śmiało stwierdzić, że obie wartości nie mogą być prawidłowe. Doprowadziło to wielu naukowców do zastanowienia się, czy systematyczne odchylenie może mieć wpływ na któryś z wyników lub czy może mieć to związek ze specjalną fizyką wczesnego Wszechświata (podobną do wczesnej ciemnej energii).

W swoim artykule zespół zaproponował nowy sposób pomiaru odległości, który miałby pomóc w rozstrzygnięciu toczącego się sporu. Badania prowadził dr Albert Sneben. Student astrofizyki w Centrum Cosmic Dawn w Instytucie Nielsa Bohra. Jak niedawno wyjaśnił:

„Kiedy dwie niezwykle zwarte gwiazdy neutronowe – będące pozostałościami supernowych – krążą wokół siebie i ostatecznie łączą się, eksplodują w nowej eksplozji, tak zwanej kilonowej. Niedawno pokazaliśmy, jak niezwykle symetryczna jest ta eksplozja i okazuje się, że ta symetria jest nie ładne Nie tylko jest przydatne, ale także niezwykle przydatne.

W poprzednim badaniu ((Symetria sferyczna w kilonowej AT2017gfo/GW170817W najnowszym badaniu Snepen i kilku współpracowników poinformowało o odkryciu „doskonałej eksplozji w przestrzeni kosmicznej”. Jest to sprzeczne z wcześniejszymi założeniami dotyczącymi kilonowych, sugerującymi, że w wyniku zderzenia powstał idealnie kulisty wybuch. Jak wówczas informowali, odkrycie to może zapewnić wgląd w podstawową fizykę i nowy sposób pomiaru wieku Wszechświata. W innym badaniu opublikowanym we wrześniu („W widmie ciała doskonale czarnego kilonowych„), Snepen wykazał, że pomimo swojej złożoności kilonowe można opisać za pomocą jednej temperatury.

Lewa półkula pokazuje rozszerzającą się pozostałość po supernowej odkrytej przez Tycho Brahe w 1572 roku, tutaj jako obserwatora rentgenowskiego. Źródło obrazu: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren i J.Hughes et al. Po prawej stronie znajduje się mapa kosmicznego promieniowania tła pochodzącego z połowy nieba, obserwowanego w mikrofalach. Źródło: Zespół naukowy NASA/WMAP

Ten prosty aspekt kilonowych, w połączeniu z ich oczywistą symetrią, pozwolił Snepinowi dokładnie wydedukować, ile światła wyemituje dane zdarzenie. Porównując tę ​​jasność z ilością światła docierającego do Ziemi, astronomowie mogą zmierzyć odległość do kilonowej, co prowadzi do nowego, niezależnego sposobu obliczania odległości do galaktyk zawierających kilonowe. Jak wyjaśnił Darach Watson, profesor nadzwyczajny w Cosmic Dawn Center i współautor badania:

„Supernowe, które dotychczas wykorzystywano do pomiaru odległości między galaktykami, nie zawsze emitują taką samą ilość światła. Co więcej, wymagają one od nas najpierw skalibrowania odległości za pomocą innego rodzaju gwiazd, zwanych cefeidami, które z kolei muszą zostać również skalibrowany. Używając kilonowych, możemy ominąć te komplikacje, które powodują niepewność pomiarów.

Aby zademonstrować potencjał nowej metody, zespół zastosował ją do kilonowych obserwowanych przez astronomów w 2017 r. Wynikowe obliczenia stałej Hubble’a są bliższe wartości uzyskanej metodą CMB, ale nie wiadomo, czy metoda ta jest w stanie rozwiązać tensor Hubble’a . Widoczny. „Jak dotąd mamy tylko jedno studium przypadku i potrzebujemy więcej przykładów, zanim będziemy mogli dojść do zdecydowanych wniosków” – powiedział Sneben. „Jednak nasze podejście omija przynajmniej niektóre znane źródła niepewności, co jest niezwykle istotne Czyszczenie System studiów. Nie wymaga żadnej kalibracji ani współczynnika korygującego.

Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Zderzenia gwiazd neutronowych oświetlają ekspansję Wszechświata.

Na podstawie artykułu pierwotnie opublikowanego na Wszechświat dzisiaj.