Rychlost rozpínání vesmíru by se mohla měřit i z gravitačních vln

Simulace gravitačních vln vyzařovaných při fúzi černých děr. Autor: NASA/Ames Research Center/C. Licence obrázku public domain.

Simulace gravitačních vln vyzařovaných při fúzi černých děr. Autor: NASA/Ames Research Center/C. Henze. Licence obrázku public domain.

Rychlost rozpínání vesmíru by se mohla měřit i z gravitačních vln

Rychlost rozpínání vesmíru odpovídá Hubbleově konstantě a s jejím stanovením je notoricky známý problém, kdy různé metody dávají trochu odlišné výsledky. Vědci z University of Illinois Urbana-Champaign a z University of Chicago nyní navrhli výpočet Hubbleovy konstanty pomocí gravitačních vln. Samo o sobě to není novinka, ale autoři nové studie tento typ metod dokázali podstatně vylepšit a zpřesnit. A jak se v budoucnu zlepší naše schopnost detekovat gravitační vlny, půjde tuto novou metodu použít k ještě přesnějším měřením.

Námi zachycované gravitační vlny jsou generovány energetickými srážkami kompaktních astrofyzikálních objektů, jako jsou černé díry. Globální síť detekující gravitační vlny je provozována spoluprací LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), která má přes 2 000 členů.

Výpočet Hubbleovy konstanty pomocí gravitačních vln je podobný technice využívající supernovy („standardní svíčky“) a vzdálenosti k místům kolizí černých děr lze snadno určit pomocí standardní sirénové metody (poznámka: obdobně jako u supernov, určité objekty mají konstantní svítivost, takže pak změřená jasnost odpovídá vzdálenosti). Nicméně rychlost, se kterou se bod střetu černých děr vzdaluje od Země v důsledku rozpínání vesmíru, přímo určit neumíme (poznámka: u supernov určujeme rychlost z rudého posuvu). Aby mohli astronomové pomocí této techniky vypočítat Hubbleovu konstantu, musí buď identifikovat i světlo vyzařované sloučením, nebo alespoň najít jeho hostitelskou galaxii.

V aktuálním výzkumu Nicolás Yunes (University of Illinois Urbana-Champaign), Daniel Holz (University of Chicago) a jejich spolupracovníci navrhují inovativní metodu měření Hubbleovy konstanty, která využívá astrofyzikální srážky, které síť LVK zatím není schopna detekovat.

Protože pozorujeme jednotlivé srážky černých děr, můžeme určit jejich četnost ve vesmíru. Na základě této četnosti vědci předpokládají, že existuje mnohem více událostí, které pozorovat nemůžeme, tedy gravitační vlny na pozadí.

Nová studie tvrdí, že při nižších hodnotách Hubbleovy konstanty je celkový objem prostoru, ve kterém dochází ke srážkám, menší, takže hustota srážek objektů je vyšší. To by zvýšilo sílu signálu gravitačního vlnového pozadí, takže nedostatečná detekce pozadí tedy vylučuje nižší hodnotu Hubbleovy konstanty. Autoři studie svůj postup nazvali stochatická sirénová metoda (stochastic siren method).

Tým aplikoval svou metodu stochastické sirény na aktuální data spolupráce LVK. Jako důkaz principu zjistili, že nedetekování gravitačního vlnového pozadí může poskytnout důkaz proti pomalému tempu expanze vesmíru. Poté kombinovali metodu stochastické sirény s měřeními Hubbleovy konstanty z jednotlivých srážek černých děr, aby získali přesnější měření tempa expanze.