Neutronstjerner giver astronomer en ny måde at måle Universets udvidelse på

Universet udvider sig

Dét har vi vist siden Edwin Hubble og andre astronomer for cirka 100 år siden målte hastigheden af en række omkringliggende galakser.

Galakserne i Universet bliver “båret” væk fra hinanden af denne udvidelse, og fjerner sig derfor fra hinanden.

Jo større afstanden er mellem to galakser, jo hurtigere fjerner de sig fra hinanden, og den præcise hastighed dette sket med, er én af de vigtigste størrelser i moderne kosmologi.

Tallet, som beskriver udvidelsen, går under navnet “Hubble-konstanten”, og det optræder i alskens forskellige ligninger og modeller af Universet og dets bestanddele.

Hubble trouble

For at forstå Universet, er vi altså nødt til at kende Hubble-konstanten så præcist som muligt. Der findes flere forskellige metoder til at måle den; metoder som er indbyrdes uafhængige, men alligevel heldigvis giver samme resultat.

Eller det vil sige, næsten…

Den intuitivt lettest forståelige metode er i princippet den samme, som Edwin Hubble og hans kolleger brugte for 100 år siden: Find en masse galakser, og mål deres afstand og hastighed. I praksis gøres dette ved at finde galakser med eksploderende stjerner, såkaldte supernovaer. Denne metode komplimenteres af en anden metode, som går ud på at analysere ujævnheder i den såkaldte kosmiske baggrundsstråling; noget lys, som stammer helt tilbage fra kort efter Big Bang.

De to metoder — supernova-metoden og baggrundsstrålings-metoden — har altid givet lidt forskellige resultater. Men enhver måling er altid forbundet med måleusikkerheder, og for nogle år tilbage var usikkerhederne så store, at vi kunne give dem skylden for forskellen.

Jo bedre vi er blevet til at måle, jo mindre er usikkerhederne imidlertid blevet, og vi har nu nået et punkt, hvor vi med meget stor sikkerhed kan sige, at de ikke begge kan være rigtige.

Hvad der er årsagen til denne “Hubble trouble” — om det er ukendte effekter, der systematisk forskyder ét af resultaterne, eller om der måske er noget ny fysik vi endnu ikke har opdaget — er for tiden et af astronomiens varmeste emner.

Neutronstjerne-sammenstød kan hjælpe med svaret

En af de største usikkerheder ligger i at bestemme afstandene til galakser. Men i et nyt studie foreslår Albert Sneppen, PhD-studerende i astrofysik ved Cosmic Dawn Center i København, en ny metode til at måle afstande på, og dermed hjælpe til at afgøre disputten.

“Når to ultrakompakte neutronstjerner — som i sig selv er efterladenskaberne fra supernovaer — danser om hinanden og til sidst smelter sammen, futter de af i en ny eksplosion; en såkaldt kilonova,” forklarer Albert Sneppen. “Vi viste for nylig, hvordan denne eksplosion er bemærkelsesværdig symmetrisk, og det viser sig, at denne symmetri ikke bare er smuk, men også yderst brugbar.”

I et tredje studie, der netop er blevet udgivet, viser den overmåde produktive PhD-studerende, at kilonova-eksplosioner på trods af deres kompleksitet, kan beskrives med én enkelt temperatur. Og det viser sig, at kilonovaernes symmetri og simplicitet tilsammen gør astronomerne i stand til at beregne præcist hvor meget lys, de sender ud.

Ved at sammenligne denne lysstyrke med, hvor meget lys der når ned til Jorden, kan forskerne beregne, hvor langt væk kilonovaen er. De har dermed opnået en ny, uafhængig, og potentielt mere nøjagtig metode til at beregne afstandene til de galakser, som indeholder kilonovaer.

Darach Watson er lektor på Cosmic Dawn Center og medforfatter på studiet. Han forklarer: “Supernovaer, som man hidtil har brugt til at måle galaksernes afstande, udsender ikke altid lige meget lys. Desuden kræver de i første omgang at man kalibrerer deres afstande vha. en anden slags stjerner, de såkaldte Cepheider, som i sig selv skal kalibreres. Ved at bruge kilonovaer kan vi komme omkring disse komplikationer, som indfører usikkerheder i målingerne.”

Bekræfter én af de to metoder

For at demonstrere metodens potentiale anvendte astrofysikerne den på en kilonova, som blev opdaget i 2017. Resultatet er en Hubble-konstant der er tættere på baggrundsstrålings-metoden, men om kilonova-metoden kan løse Hubble-balladen, tør forskere dog endnu ikke udtale sig om:

“Vi har endnu bare dette ene case study, og har brug for mange flere eksempler før vi har et robust resultat,” formaner Albert Sneppen. “Men vores metode omgår i hvert fald nogle kendte kilder til usikkerhed, og er et meget »rent« system at studere. Det kræver ingen kalibrering, ingen korrektions-faktor.”