Fizycy zidentyfikowali potencjalnie przełomową metodę pomiaru tempa rozszerzania się Wszechświata, stanowiącą od dawna zagadkę kosmologiczną, wykorzystującą subtelne wahania czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi. Nowe podejście wykorzystuje zbiorczy sygnał z niezliczonych łączących się czarnych dziur we Wszechświecie – stłumiony „buczenie” grawitacji – do niezależnego oszacowania szybkości rozszerzania się przestrzeni. Nawet bez bezpośredniego wykrywania tego tła badacze wykorzystali już aktualne dane do udoskonalenia ograniczeń stałej Hubble’a, wartości reprezentującej tempo rozszerzania się Wszechświata.
Problem Hubble’a: kluczowy problem w kosmologii
Tempo ekspansji Wszechświata jest wielkością podstawową, ale jego dokładna wartość stała się głównym przedmiotem dyskusji. Pomiary uzyskane z obserwacji wczesnego Wszechświata (np. kosmiczne mikrofalowe tło, echa Wielkiego Wybuchu) są systematycznie niezgodne z pomiarami uzyskanymi z pobliskich obiektów (takich jak supernowe). Ta rozbieżność, zwana napięciem Hubble’a, jest statystycznie istotna i wskazuje albo na niezidentyfikowane błędy w istniejących metodach, albo* na potrzebę zasadniczo nowej fizyki.
Jak wyjaśnia fizyk z Uniwersytetu Yale, Chiara Mingarelli, „Pomiary tempa ekspansji wczesnego i późnego Wszechświata różnią się o więcej niż 5 sigma… Albo istnieje niezidentyfikowany błąd systematyczny, albo nowa fizyka”. Niemożność pogodzenia tych wartości podważa nasze zrozumienie ciemnej energii, ciemnej materii i ogólnej struktury Wszechświata.
Używanie połączeń czarnych dziur jako kosmicznych władców
Nowe badanie przyjęte do publikacji w Physical Review Letters proponuje nową metodę opartą wyłącznie na falach grawitacyjnych. Od 2015 roku obserwatoria LIGO i Virgo wykryły dziesiątki połączeń czarnych dziur, a każde zdarzenie dostarcza informacji o masach i odległościach zderzających się ciał. Analizując tempo, z jakim te połączenia zachodzą w całym wszechświecie, naukowcy mogą wywnioskować właściwości tła fal grawitacyjnych — połączonego sygnału z wydarzeń zbyt odległych, aby można je było rozróżnić indywidualnie.
Według głównego autora Bryce’a Cousinsa: „Ponieważ obserwujemy pojedyncze zderzenia czarnych dziur, możemy określić częstotliwość tych zderzeń zachodzących w całym wszechświecie”. Ogólna siła tego sygnału tła jest bezpośrednio związana z tempem ekspansji; wolniejsza ekspansja oznacza większy wolumen i więcej fuzji, co skutkuje silniejszym tłem.
Implikacje i perspektywy na przyszłość
Zespół badawczy wykazał, że obecny brak odkrycia tła fali grawitacyjnej już wyklucza pewne niższe wartości stałej Hubble’a. Chociaż obecne ograniczenia są nadal szerokie, metoda ta ustanawia nową, niezależną podstawę dla wniosków kosmologicznych. Podejście to uzupełnia istniejące metody „standardowej syreny” (wykorzystujące pojedyncze zdarzenia fal grawitacyjnych jako wskaźniki odległości) poprzez wykorzystanie całej nierozwiązanej populacji połączeń czarnych dziur.
Profesor Uniwersytetu w Chicago, Daniel Holtz, podkreśla znaczenie tego zjawiska: „Nie codziennie pojawia się zupełnie nowe narzędzie kosmologii”. Planowane unowocześnienia detektorów fal grawitacyjnych umożliwią bezpośrednie wykrycie tła w ciągu kilku lat, co przeniesie pomiar z dolnej granicy na dokładny pomiar.
Ostatecznie ta metoda syreny stochastycznej może stać się nowym, potężnym narzędziem do badania historii ekspansji Wszechświata i określania, czy naprężenie Hubble’a stanowi podstawową wadę naszych modeli, czy po prostu ukryte błędy systematyczne.
Ta nowa technika zapewnia istotny niezależny test istniejących pomiarów kosmologicznych i może ostatecznie pomóc w rozwiązaniu jednej z najbardziej palących tajemnic współczesnej fizyki.
