Srážky neutronových hvězd osvětlují expanzi vesmíru

Institut Nielse Bohra navrhuje použít kilonovy (výbuchy ze splývajících neutronových hvězd) k řešení nesrovnalostí v měření rychlosti rozpínání vesmíru. Počáteční výsledky jsou slibné, ale pro ověření je potřeba více případů. V posledních letech se astronomie ocitla v mírné krizi: Přestože víme, že se vesmír rozpíná, a přestože víme přibližně jak rychle, dva primární způsoby měření této expanze se neshodují. Nyní astrofyzici z Niels Bohr Institute navrhují novou metodu, která může pomoci vyřešit tento problém.

Vesmír se rozpíná
Víme to od té doby, co Edwin Hubble a další astronomové asi před 100 lety měřili rychlosti řady okolních galaxií. Galaxie ve vesmíru jsou touto expanzí „unášeny“ od sebe, a proto se od sebe vzdalují. Čím větší je vzdálenost mezi dvěma galaxiemi, tím rychleji se od sebe vzdalují a přesná rychlost tohoto pohybu je jednou z nejzákladnějších veličin v moderní kosmologii. Číslo, které popisuje expanzi, se nazývá „Hubbleova konstanta“ a objevuje se v mnoha různých rovnicích a modelech vesmíru a jeho složek.

Galaxie leží docela klidně ve vesmíru, ale samotný prostor se rozšiřuje. To způsobuje, že se galaxie od sebe vzdalují stále větší rychlostí. Jak rychle přesně, je však trochu záhadou.

Hubbleův problém
Abychom pochopili vesmír, musíme znát Hubbleovu konstantu co nejpřesněji. Existuje několik metod, jak to měřit; metody, které jsou vzájemně nezávislé, ale naštěstí poskytují téměř stejný výsledek.
Tedy téměř…

Intuitivně nejsnáze pochopitelná metoda je v zásadě stejná, jakou Edwin Hubble a jeho kolegové používali před stoletím: Vyhledejte spoustu galaxií a změřte jejich vzdálenosti a rychlosti. V praxi se to dělá tak, že se hledají galaxie s explodujícími hvězdami, tzv. supernovami. Tato metoda je doplněna další metodou, která analyzuje nepravidelnosti v tzv. záření kosmického pozadí, což je starodávná forma světla pocházející z doby krátce po Velkém třesku.

Tyto dvě metody – metoda supernov a metoda záření na pozadí – vždy dávaly mírně odlišné výsledky. Ale každé měření je spojeno s nejistotami a před několika lety byly nejistoty natolik významné, že bychom je mohli vinit z rozdílu.

Nicméně, jak se techniky měření zlepšily, nejistoty se zmenšily a nyní jsme dosáhli bodu, kdy můžeme s vysokou mírou jistoty prohlásit, že obojí nemůže být správné. Kořen tohoto „Hubbleova problému“ – ať už jde o neznámé efekty systematicky ovlivňující jeden z výsledků, nebo pokud to naznačuje jako novou fyziku, která ještě nebyla objevena – je v současnosti jedním z nejžhavějších témat astronomie.

Konstantní nesrovnalost Hubblea
Rozpínání vesmíru se měří v „rychlosti na vzdálenost“ a je něco málo přes 20 km/s na milion světelných let. To znamená, že galaxie, která se nachází 100 milionů světelných let daleko, se od nás vzdaluje rychlostí 2 000 km/s, zatímco jiná galaxie vzdálená 200 milionů světelných let se vzdaluje rychlostí 4 000 km/s. Použití supernov k měření vzdáleností a rychlostí galaxií však dává 22,7 ± 0,4 km/s, zatímco analýza záření pozadí vesmíru dává 20,7 ± 0,2 km/s.

Může to znít jako namyšlenost starat se o takový malý nesouhlas, ale může to být velmi významné. Číslo se například objevuje ve výpočtu stáří vesmíru a obě tyto metody dávají stáří 12,8 a 13,8 miliardy let.

Kilonovy: Nový přístup k měření
Jedna z největších výzev spočívá v přesném určení vzdáleností galaxií. Ale v nové studii Albert Sneppen, který je doktorandem astrofyziky v Cosmic Dawn Center na Niels Bohr Institute v Kodani, navrhuje novou metodu měření vzdáleností, čímž pomáhá urovnat probíhající spor.

„Když dvě ultrakompaktní neutronové hvězdy – které samy o sobě jsou zbytky supernov – obíhají kolem sebe a nakonec se spojí, vybuchnou v nové explozi označované jako kilonova,“ vysvětluje Albert Sneppen. „Nedávno jsme prokázali, jak je tato exploze pozoruhodně symetrická, a ukázalo se, že tato symetrie je nejen krásná, ale také neuvěřitelně užitečná.“

Ve studii, která byla právě zveřejněna, tento doktorand ukazuje, že kilonovy lze navzdory jejich složitosti popsat jedinou teplotou. A ukazuje se, že symetrie a jednoduchost kilonov umožňuje astronomům přesně odvodit, kolik světla vyzařují. Porovnáním této svítivosti s tím, kolik světla přichází na Zemi, vědci mohou vypočítat, jak daleko kilonova je. Získali tak novou nezávislou metodu pro výpočet vzdálenosti ke galaxiím obsahujícím kilonovy.

Darach Watson, který je docentem v Cosmic Dawn Center a spoluautorem studie, vysvětluje: „Supernovy, které se až dosud používaly k měření vzdáleností galaxií, nevyzařují vždy stejné množství světla. Navíc po nás nejprve vyžadují kalibraci vzdálenosti pomocí jiného typu hvězd, takzvaných cefeid, které zase musí být kalibrovány. S kilonovami můžeme obejít tyto komplikace, které vnášejí nejistoty do měření.“

Předběžná zjištění a budoucí kroky
K demonstraci jejího potenciálu astrofyzikové aplikovali metodu na kilonovu objevenou v roce 2017. Výsledkem je Hubbleova konstanta blíže metodě záření pozadí, ale zda metoda kilonovy může vyřešit problém s Hubbleem, se výzkumníci zatím neodvažují tvrdit.

„Zatím máme pouze tuto jednu studii a potřebujeme mnoho dalších příkladů, než budeme moci stanovit přesnější výsledek,“ varuje Albert Sneppen. „Ale naše metoda alespoň obchází některé známé zdroje nejistoty a je velmi ´čistým´ systémem ke studiu. Nevyžaduje žádnou kalibraci, žádný korekční faktor.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/unlocking-the-hubble-trouble-mystery-neutron-star-collisions-illuminate-the-expansion-of-the-universe/

autor: František Martinek