Institutul Niels Bohr propune utilizarea kilonovas (explozii rezultate din fuziunea stelelor neutronice) pentru a aborda discrepanțe în măsurarea ratei de expansiune a universului. Rezultatele inițiale sunt promițătoare, dar sunt necesare mai multe cazuri pentru a le valida.
În ultimii ani, astronomia s-a văzut într-o mică criză: deși știm că universul se extinde și deși știm aproximativ cât de repede merge, cele două moduri fundamentale de măsurare a acestei expansiuni nu sunt de acord. Acum, astrofizicienii de la Institutul Niels Bohr propun o nouă metodă care poate ajuta la rezolvarea acestei tensiuni.
Universul se extinde
Știm acest lucru de când Edwin Hubble și alți astronomi, cu aproximativ 100 de ani în urmă, au măsurat vitezele unui număr de galaxii din jur. Galaxiile din univers sunt „împinse” în afară de această expansiune și, prin urmare, se îndepărtează unele de altele.
Cu cât distanța dintre două galaxii este mai mare, cu atât ele se depărtează mai repede, iar viteza precisă a acestei mișcări este una dintre cantitățile cele mai fundamentale din cosmologia modernă. Numărul care descrie expansiunea se numește constantă Hubble și apare în multe ecuații și modele diferite ale universului și componentelor sale.
Galaxiile sunt mai mult sau mai puțin staționare în spațiu, dar spațiul însuși se extinde. Acest lucru face ca galaxiile să se îndepărteze unele de altele într-un ritm din ce în ce mai mare. Cu toate acestea, exact cât de repede este un mister. Credit: ISO/L. Calada. Galaxiile sunt mai mult sau mai puțin staționare în spațiu, dar spațiul însuși se extinde. Acest lucru face ca galaxiile să se îndepărteze unele de altele într-un ritm din ce în ce mai mare. Cu toate acestea, exact cât de repede este un mister. Credit: ISO/L. Calada
Problema Hubble
Pentru a înțelege universul, trebuie să cunoaștem constanta Hubble cât mai precis posibil. Există mai multe moduri de a o măsura; Metodele sunt independente reciproc, dar din fericire dau aproape același rezultat.
Adică este aproape…
Cel mai simplu mod intuitiv de a înțelege, în principiu, este aceeași metodă pe care Edwin Hubble și colegii săi au folosit-o acum un secol: localizarea unui grup de galaxii și măsurarea distanțelor și vitezelor acestora. În practică, acest lucru se realizează prin căutarea galaxiilor cu stele care explodează, sau așa-numitele Supernove. Această metodă este completată de o altă metodă care analizează neregulile în așa-numita Radiația cosmică de fond; O formă străveche de lumină care datează de la puțin timp după marea explozie.
Cele două metode – metoda supernovei și metoda radiației de fond – au dat întotdeauna rezultate ușor diferite. Dar orice măsurătoare vine cu incertitudini, iar în urmă cu câțiva ani incertitudinile erau suficient de mari încât să le putem învinovăți pentru disparitate.
Emisfera stângă arată rămășița în expansiune a supernovei descoperită de Tycho Brahe în 1572, văzută aici în raze X (Credit: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). În dreapta este o hartă a radiației cosmice de fundal care emană din jumătate din cer, care este observată în cuptorul cu microunde. Credit: NASA/WMAP Science Team
Cu toate acestea, pe măsură ce tehnicile de măsurare s-au îmbunătățit, incertitudinile s-au diminuat și am ajuns acum la un punct în care putem afirma cu un grad ridicat de încredere că niciuna nu poate fi adevărată.
Rădăcina acestei „probleme Hubble” – dacă efectele necunoscute influențează sistematic unul dintre rezultate sau dacă indică o nouă fizică care nu a fost încă descoperită – este în prezent unul dintre cele mai fierbinți subiecte din astronomie.
Paradoxul persistent al Hubble
Expansiunea universului este măsurată în „viteza pe distanță”, care este puțin peste 20 de kilometri pe secundă per milion de ani lumină. Aceasta înseamnă că o galaxie situată la 100 de milioane de ani lumină distanță se îndepărtează de noi cu o viteză de 2000 km/s, în timp ce o altă galaxie situată la 200 de milioane de ani lumină distanță se îndepărtează de noi cu o viteză de 4000 km/s.
Cu toate acestea, utilizarea supernovelor pentru a măsura distanțe și viteze ale galaxiilor are ca rezultat 22,7 ± 0,4 km/s, în timp ce analiza radiației cosmice de fond are ca rezultat 20,7 ± 0,2 km/s.
A acorda atenție unui astfel de dezacord minor poate părea plictisitor, dar poate fi foarte important. De exemplu, numărul apare în calcularea vârstei universului, iar cele două metode produc o vârstă de 12,8, respectiv 13,8 miliarde de ani.
Kilonova: o nouă abordare a măsurătorilor
Una dintre cele mai mari provocări constă în determinarea cu precizie a distanțelor până la galaxii. Dar, într-un nou studiu, Albert Snippen, doctorand în astrofizică la Center for Cosmic Dawn de la Institutul Niels Bohr din Copenhaga, propune o nouă modalitate de măsurare a distanțelor, care ar putea ajuta la soluționarea disputei în curs.
„Când două stele neutronice extrem de compacte – ele însele rămășițe de supernovă – orbitează una în jurul celeilalte și în cele din urmă se unesc, ele explodează într-o nouă explozie; aceasta se numește kilonova”, explică Albert Snepen. „Recent am arătat cât de remarcabil de simetrică este această explozie și se dovedește că „Această simetrie nu este doar frumoasă, ci este și incredibil de utilă”.
în Al treilea studiu Tocmai publicat, prolificul doctorand demonstrează că kilonovas, deși complexe, pot fi descrise cu o singură temperatură. Se pare că simetria și simplitatea kilonovai le permit astronomilor să deducă exact câtă lumină emite.
Comparând această luminozitate cu cantitatea de lumină care ajunge pe Pământ, cercetătorii pot calcula cât de departe este kilonova. Ei au obținut astfel o nouă metodă independentă pentru calcularea distanței până la galaxiile care conțin kilonova.
Darach Watson este profesor asociat la Cosmic Dawn Center și co-autor al studiului. „Supernovele, care au fost folosite până acum pentru a măsura distanțe dintre galaxii, nu emit întotdeauna aceeași cantitate de lumină”, explică el. „În plus, ele ne cer mai întâi să calibrăm distanța folosind un alt tip de stele, numite stele cefeide. care la rândul lor trebuie să fie calibrate de asemenea.” Folosind kilonovas putem ocoli aceste complicații care provoacă incertitudine în măsurători.
Rezultate preliminare și pași viitori
Pentru a-și demonstra potențialul, astrofizicienii au aplicat această metodă la o kilonova descoperită în 2017. Rezultatul este o constantă Hubble mai aproape de metoda radiației de fond, dar dacă metoda kilonova este capabilă să rezolve problema Hubble, cercetătorii nu îndrăznesc încă să spună:
„Până acum avem un singur studiu de caz și avem nevoie de mai multe exemple înainte de a ajunge la o concluzie puternică”, avertizează Albert Sneben. „Dar metoda noastră ocolește cel puțin unele surse cunoscute de incertitudine și este un sistem foarte „curat” de studiat. Nu necesită calibrare sau factor de corecție.
Referință: „Măsurarea constantei Hubble în kilonovați folosind metoda expansiunii fotosferei” de Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznanski, Oliver Gast, Andreas Bauszyn și Radoslaw Wojtak, 2 octombrie 2023, Astronomie și astrofizică.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306
„Organizator. Scriitor general. Prieten al animalelor de pretutindeni. Specialist în cultură pop. Expert în internet amator. Explorator.”