Fyzici identifikovali potenciálně průlomovou metodu měření rychlosti rozpínání vesmíru, která je dlouhodobou kosmologickou záhadou, pomocí jemných fluktuací v časoprostoru známých jako gravitační vlny. Nový přístup využívá kolektivní signál z bezpočtu splývajících černých děr napříč vesmírem – tlumené „hučení“ gravitace – k nezávislému odhadu, jak rychle se vesmír rozpíná. Dokonce i bez přímé detekce tohoto pozadí již vědci použili současná data ke zpřesnění omezení Hubbleovy konstanty, hodnoty představující rychlost expanze vesmíru.
Problém Hubblea: Klíčový problém v kosmologii
Rychlost rozpínání vesmíru je základní veličinou, ale její přesná hodnota se stala hlavním předmětem debaty. Měření získaná z pozorování raného vesmíru (např. kosmické mikrovlnné pozadí, ozvěny velkého třesku) jsou systematicky nekonzistentní s měřeními získanými z blízkých objektů (jako jsou supernovy). Tato nesrovnalost, nazývaná Hubbleovo napětí, je statisticky významná a naznačuje buď neidentifikované chyby v existujících metodách nebo potřebu zásadně nové fyziky.
Jak vysvětluje fyzik Chiara Mingarelli z Yale University: “Měření rychlosti expanze raného a pozdního vesmíru se liší o více než 5 sigma… Buď jde o neidentifikovanou systematickou chybu, nebo o novou fyziku.” Neschopnost sladit tyto hodnoty je výzvou pro naše chápání temné energie, temné hmoty a celkové struktury Vesmíru.
Použití sloučení černých děr jako vesmírných vládců
Nová studie přijatá k publikaci v Physical Review Letters navrhuje novou metodu založenou výhradně na gravitačních vlnách. Od roku 2015 zaznamenaly observatoře LIGO a Virgo desítky sloučení černých děr, přičemž každá událost poskytuje informace o hmotnostech a vzdálenostech srážejících se těles. Analýzou rychlosti, s jakou k těmto sloučením dochází v celém vesmíru, mohou vědci odvodit vlastnosti pozadí gravitačních vln – kombinovaného signálu z událostí, které jsou příliš vzdálené na to, aby je bylo možné vyřešit jednotlivě.
Podle hlavního autora Bryce Cousinse: “Protože pozorujeme jednotlivé srážky černých děr, můžeme určit rychlost těchto srážek, ke kterým dochází v celém vesmíru.” Celková síla tohoto signálu pozadí přímo souvisí s rychlostí expanze; pomalejší expanze znamená větší objem a více fúzí, což má za následek silnější pozadí.
Důsledky a vyhlídky do budoucna
Výzkumný tým prokázal, že současné neobjevení pozadí gravitačních vln již vylučuje některé nižší hodnoty Hubbleovy konstanty. Ačkoli současná omezení jsou stále široká, tato metoda vytváří nový, nezávislý základ pro kosmologické závěry. Tento přístup doplňuje stávající metody „standardních sirén“ (používání jednotlivých událostí gravitačních vln jako indikátorů vzdálenosti) tím, že využívá celou nevyřešenou populaci sloučení černých děr.
Profesor z Chicagské univerzity Daniel Holtz zdůrazňuje význam: “Nestává se každý den, kdy přicházíte s úplně novým nástrojem pro kosmologii.” Plánované modernizace detektorů gravitačních vln umožní přímou detekci pozadí během několika let, čímž se posune od spodní hranice k přesnému měření.
Nakonec by se tato metoda stochastické sirény mohla stát mocným novým nástrojem pro zkoumání historie expanze vesmíru a určování, zda Hubbleovo napětí představuje základní chybu v našich modelech nebo jednoduše skryté systematické chyby.
Tato nová technika nabízí zásadní nezávislý test existujících kosmologických měření a mohla by nakonec pomoci vyřešit jednu z nejnaléhavějších záhad moderní fyziky.
