Botsingen tussen neutronensterren werpen licht op de uitdijing van het heelal

De afgelopen jaren heeft de astronomie zichzelf in een soort crisis bevonden: hoewel we weten dat het universum uitdijt, en hoewel we ongeveer weten hoe snel het gaat, komen de twee fundamentele manieren om die uitdijing te meten niet overeen. Nu stellen astrofysici van het Niels Bohr Instituut een nieuwe methode voor die deze spanning kan helpen oplossen.

Het heelal dijt uit

We weten dit sinds Edwin Hubble en andere astronomen, ongeveer 100 jaar geleden, de snelheden van een aantal omringende sterrenstelsels maten. De sterrenstelsels in het heelal worden door deze uitdijing uit elkaar ‘geduwd’ en bewegen zich daardoor van elkaar af.

Hoe groter de afstand tussen twee sterrenstelsels, hoe sneller ze uit elkaar bewegen, en de precieze snelheid van deze beweging is een van de meest fundamentele grootheden in de moderne kosmologie. Het getal dat de uitdijing beschrijft, wordt de Hubble-constante genoemd en komt voor in veel verschillende vergelijkingen en modellen van het universum en zijn componenten.

Sterrenstelsels staan ​​min of meer stil in de ruimte, maar de ruimte zelf breidt zich uit. Dit zorgt ervoor dat sterrenstelsels steeds sneller van elkaar af bewegen. Hoe snel precies is echter een beetje een mysterie. Krediet: ISO/L. Calada. Sterrenstelsels staan ​​min of meer stil in de ruimte, maar de ruimte zelf breidt zich uit. Dit zorgt ervoor dat sterrenstelsels steeds sneller van elkaar af bewegen. Hoe snel precies is echter een beetje een mysterie. Krediet: ISO/L. Calada

Hubble-probleem

Om het universum te begrijpen, moeten we de constante van Hubble zo nauwkeurig mogelijk kennen. Er zijn verschillende manieren om het te meten; De methoden zijn onderling onafhankelijk maar geven gelukkig vrijwel hetzelfde resultaat.

Dat wil zeggen, het is bijna…

De eenvoudigste intuïtieve manier om dit te begrijpen is in principe dezelfde methode die Edwin Hubble en zijn collega’s een eeuw geleden gebruikten: het lokaliseren van een groep sterrenstelsels en het meten van hun afstanden en snelheden. In de praktijk gebeurt dit door te zoeken naar sterrenstelsels met exploderende sterren, of zogenaamde Supernova’s. Deze methode wordt aangevuld met een andere methode die onregelmatigheden analyseert in de zogenaamde Kosmische achtergrondstraling; Een eeuwenoude vorm van licht die dateert van kort daarna de grote explosie.

De twee methoden – de supernovamethode en de achtergrondstralingsmethode – gaven altijd enigszins verschillende resultaten. Maar elke meting brengt onzekerheden met zich mee, en een paar jaar geleden waren de onzekerheden zo groot dat we hen de schuld konden geven van de ongelijkheid.

De linkerhersenhelft toont het uitdijende overblijfsel van de supernova ontdekt door Tycho Brahe in 1572, hier bekeken op röntgenfoto’s (Credit: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). Aan de rechterkant is een kaart te zien van de kosmische achtergrondstraling die uit de halve hemel komt en die wordt waargenomen in microgolven. Krediet: NASA/WMAP Wetenschapsteam

Naarmate de meettechnieken echter zijn verbeterd, zijn de onzekerheden afgenomen en hebben we nu een punt bereikt waarop we met een hoge mate van vertrouwen kunnen stellen dat geen van beide waar kan zijn.

De wortel van dit ‘Hubble-probleem’ – of onbekende effecten systematisch een van de resultaten vertekenen, of dat het wijst op nieuwe natuurkunde die nog niet ontdekt is – is momenteel een van de populairste onderwerpen in de astronomie.

De hardnekkige Hubble-paradox

De uitdijing van het heelal wordt gemeten in ‘snelheid per afstand’, wat iets meer dan 20 kilometer per seconde per miljoen lichtjaar is. Dit betekent dat een sterrenstelsel op 100 miljoen lichtjaar afstand van ons af beweegt met een snelheid van 2000 km/s, terwijl een ander sterrenstelsel op 200 miljoen lichtjaar afstand van ons af beweegt met een snelheid van 4000 km/s.

Het gebruik van supernova’s om afstanden en snelheden van sterrenstelsels te meten resulteert echter in 22,7 ± 0,4 km/s, terwijl het analyseren van de kosmische achtergrondstraling resulteert in 20,7 ± 0,2 km/s.

Aandacht besteden aan zo’n klein meningsverschil lijkt misschien saai, maar het kan heel belangrijk zijn. Het getal verschijnt bijvoorbeeld bij het berekenen van de leeftijd van het universum, en de twee methoden komen uit op een leeftijd van respectievelijk 12,8 en 13,8 miljard jaar.

Kilonova: een nieuwe benadering van meten

Een van de grootste uitdagingen ligt in het nauwkeurig bepalen van de afstanden tot sterrenstelsels. Maar in een nieuwe studie stelt Albert Snippen, een doctoraalstudent in astrofysica aan het Center for Cosmic Dawn van het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen, een nieuwe manier voor om afstanden te meten, wat zou kunnen helpen het aanhoudende geschil op te lossen.

‘Wanneer twee uiterst compacte neutronensterren – zelf supernovaresten – om elkaar heen draaien en uiteindelijk samensmelten, exploderen ze in een nieuwe explosie; dit wordt een kilonova genoemd.’ We hebben onlangs laten zien hoe opmerkelijk symmetrisch deze explosie is, en blijkt dat “Deze symmetrie niet alleen mooi is, maar ook ongelooflijk nuttig.”

in Derde studie De zojuist gepubliceerde productieve promovendus laat zien dat kilonova’s, hoewel complex, beschreven kunnen worden met één enkele temperatuur. Het blijkt dat de symmetrie en eenvoud van de kilonova astronomen in staat stellen precies af te leiden hoeveel licht hij uitstraalt.

Door deze helderheid te vergelijken met de hoeveelheid licht die de aarde bereikt, kunnen onderzoekers berekenen hoe ver weg de kilonova is. Ze verkregen zo een nieuwe, onafhankelijke methode voor het berekenen van de afstand tot sterrenstelsels die kilonova’s bevatten.

Darach Watson is universitair hoofddocent aan het Cosmic Dawn Center en co-auteur van het onderzoek. ‘Supernova’s, die tot nu toe zijn gebruikt om de afstanden tussen sterrenstelsels te meten, zenden niet altijd dezelfde hoeveelheid licht uit. Bovendien vereisen ze dat we eerst de afstand kalibreren met behulp van een ander type ster, genaamd Cepheid-sterren. Die moeten op hun beurt ook gekalibreerd worden.” Met kilonova’s kunnen we deze complicaties, die onzekerheid in de metingen veroorzaken, omzeilen.

Voorlopige resultaten en toekomstige stappen

Om de potentie ervan te bewijzen, pasten astrofysici deze methode toe op een kilonova die in 2017 werd ontdekt. ​​Het resultaat is een Hubble-constante die dichter bij de achtergrondstralingsmethode ligt, maar of de kilonova-methode het Hubble-probleem kan oplossen, durven onderzoekers nog niet te zeggen:

“We hebben tot nu toe slechts één casestudy en we hebben meer voorbeelden nodig voordat we tot een sterke conclusie kunnen komen”, waarschuwt Albert Sneben. “Maar onze methode omzeilt in ieder geval enkele bekende bronnen van onzekerheid en is een zeer ‘schoon’ systeem om te bestuderen. Er is geen kalibratie- of correctiefactor voor nodig.

Referentie: “Meting van de Hubble-constante in kilonovaten met behulp van de expanderende fotosfeermethode” door Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznanski, Oliver Gast, Andreas Bauszyn en Radoslaw Wojtak, 2 oktober 2023, Astronomie en astrofysica.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306