https://bodybydarwin.com
Slider Image

Les ones gravitacionals podrien resoldre una crisi cosmològica en un termini de cinc anys, o agitar la física cap al seu nucli

2021

Quan el cosmòleg Daniel Holz es va llevar de Hong Kong el 17 d'agost de 2017, el seu cap va girar amb les idees que va passar la darrera setmana donant conferències, incloent-hi la seva esperança que algun dia les vibracions a l'espai resoldrien un debat sobre la mida i l'edat de l’univers. Però sabia que passaria temps. Temps per a dos dels objectes més densos existents a combatre i sacsejar el cosmos prou fort perquè sentim el rumor aquí a la Terra, temps per localitzar la pertorbació i temps per fer girar els nostres telescopis cap a la col·lisió abans que l’esclat de llum que s’esvaeix. tornar a la foscor.

De manera optimista, aquestes observacions combinades tant d’ones gravitacionals com de llum d’aquestes col·lisions d’estrels de neutrons estaven a uns deu anys de descans, havia explicat l’audiència en la seva última conferència el dia anterior. La col·laboració de l’Observatori Gravitacional-Onda (Interferòmetre Làser) ja havia detectat fusions del forat negre i l’interferòmetre Virgo acabava d’arribar a Internet a Itàlia dues setmanes abans, de manera que l’empresa es desenvolupava sense problemes. Però quan Holz, que treballa a la Universitat de Chicago, va tornar a Illinois, va saber que el futur havia arribat aviat. Les ones gravitacionals arrencades per la col·lisió de dos titans propers s’havien estripat pel seu avió i tot el planeta, mentre ell estava a l’aire, i els observatoris de tot el món s’estaven remenant per fer observacions òptiques de seguiment.

"Vam aterrar i el meu telèfon va explotar. Em vaig connectar de seguida i em vaig asseure allà al portàtil començant a treballar que recorda Holz. Aquesta va ser l'experiència més sorprenent de la meva vida." Dotze hores després del tocament va tenir una volta al darrere. càlcul de sobres per al nombre més controvertit de la cosmologia: la velocitat de l’univers en expansió. Amb només un punt de dades no va aconseguir la mesura decisiva que ha somiat durant tretze anys, però finalment sabia que el projecte era possible. Una mica de matemàtiques, ha tornat amb una nova predicció: la col·laboració LIGO pot ser capaç de resoldre el debat durant dècades en cinc anys, segons la seva recent carta a Nature .

La conversa gira entorn d’una pregunta: quina velocitat s’està expandint l’univers? Trobar la resposta, coneguda com a constant de Hubble, en teoria és senzilla. Comença amb un objecte en reculada, normalment una estrella que pateix un tipus particular de mort. Aquestes "supernoves de tipus 1a" exploten sempre de la mateixa manera, de manera que els investigadors poden fer-se una idea de la seva distància en funció de la seva brillantor. Per calcular la constant de Hubble, també heu de conèixer la velocitat a la qual s’explota l’explosió de vosaltres, cosa que podeu aconseguir de mirar el seu color, una mesura de com s’estén la seva llum. Els investigadors també poden fer alguna cosa semblant amb la informació de la llum antiga que queda poc després del big bang, coneguda com la radiació còsmica de microones de fons (CMB). Un cop coneguda la velocitat d’expansió, podeu treballar enrere per esbrinar la mida i l’edat exactes de l’univers o pressionar cap endavant per mirar la seva trajectòria futura.

El problema és que els dos càlculs actuals donen resultats diferents.

Les estimacions més recents sobre el mètode de la supernova (73, 5 quilòmetres per segon per megaparsec, a gener) i el mètode CMB (67, 4, a juny) difereixen al voltant d’un 9 per cent. La discrepància no va provocar alarma al camp inicialment, ja que les mesures són extremadament difícils a la pràctica. Una gran explosió, llunyana, sembla una feble i propera, de manera que trobar la distància a les supernoves es basa en la "escala còsmica de distància una tècnica complicada que consisteix en relacionar tres tipus d'objectes a distàncies diferents" o "escalons". estelades al nostre pati galàctic amb geometria bàsica i, a continuació, transfereixen aquest coneixement a estrelles que es comporten de manera similar a les galàxies llunyanes per obtenir una lectura sobre les supernoves que hi passen. "Són increïblement curosos de tantes maneres diferents segons Holz. "Però hi ha molta salsitxa."

Estudiar el CMB demana menys maquinària, però més supòsits. La radiació de fons conserva un registre de l’univers en expansió a la seva infància i, per extrapolar als cosmòlegs actuals, s’ha d’aprofitar tot allò que pensen que saben sobre la gravetat, la matèria, l’energia fosca i la matèria fosca durant els 13.000 milions intervinguts. anys. Qualsevol nombre de defectes podrien haver tret qualsevol dels dos mètodes, però fins i tot quan els astrofísics de cada campament han comprovat i revisat les seves matemàtiques, les dues estimacions han rebutjat convergir. Ara la possibilitat que la comunitat cosmològica acabi de tenir una increïble cadena de males estadístiques estigui empenyent 1 de cada 1.000.

"Ara hem arribat a un punt en què som com" wow, probablement això no és només un descarnat ", afirma Adam Riess, un cosmòleg de la Universitat John Hopkins que treballa en el mètode de la supernova. "Hi ha alguna cosa interessant, alguna cosa que no entenem de l'univers."

Holz ha apostat per la seva carrera a la idea que les ones gravitacionals podrien servir d'àrbitre. La idea, que prové d’un document especulatiu del 1986 del físic nord-americà Bernard Shutz, és que un altre tipus d’estrelles mortes podrien substituir les supernoves com a pal més net per a les distàncies còsmiques. Després d’explotar, les estrelles gegants que no tenen prou amb el que es necessita per convertir-se en un forat negre s’esfondren en les estrelles de neutrons una gran quantitat de partícules tan denses fins i tot els àtoms es trituren. Quan dos d’aquests cadàvers estel·lars s’estronquen junts, l’impacte desemboca una ondulació coneguda com a onada gravitacional.

Com que aquestes ones són ondulacions a l’espai en si, no hi entra res. No perturbats pels núvols de pols i gas, es van estendre des del lloc de l'accident fins arribar a la Terra, on la comunitat científica opera tres detectors en forma de L (amb més de camí). A mesura que una ona passa pel planeta, aquesta li dóna una lleugera compressió. Un braç de cada L es fa aproximadament un protó més curt que l’altre i l’aparell notifica físics i astrònoms a tot el món. Utilitzant les equacions exactes de la relativitat general, els investigadors poden mesurar amb precisió la distància fins a la col·lisió amb poc càlcul i poques hipòtesis: no cal fer escalada ni recompte de partícules.

Holz va perfeccionar la teoria el 2005, suggerint que veure la llum d’un xoc d’estrelles de neutrons juntament amb la detecció de les ones proporcionaria informació de velocitat per complementar la lectura de la distància gravitatòria de l’ona i es va unir a LIGO per llançar aquest esforç. Molts dels seus col·legues li van dir que mai no passaria, recorda, ja que les dades astronòmiques preveien que les fusions d’estrelles de neutrons haurien de produir-se extremadament poques vegades, però totes les peces es van confluir el 17 d’agost quan estava volant cap a casa.

La constant de Hubble d’aquell esdeveniment va arribar a un 70 molt difícil, entre els dos tradicionals, però la incertesa va incloure fins i tot les supernoves més extremes i les estimacions de CMB. Resoldre el conflicte exigeix ​​reduir aquest possible error al 2 o 3 per cent, cosa que comportarà entre 30 i 50 col·lisions del tipus observat l'any passat, calcula Holz en el seu recent treball. Basat en la creixent sensibilitat de LIGO i la taxa assumida de fusions d’estrelles de neutrons, ara espera tenir prou dades per decidir entre els dos concurrents de Hubble Constant en un termini de cinc anys. Riess, que no estava involucrat en el treball, està d’acord que les ones gravitacionals ofereixen un camí cap a plausible i emocionant, però assenyala que és difícil endevinar amb quina freqüència trobarem fusions. "Potser s'acumulen més ràpidament Riess diu, però si s'acumulen 10 vegades més lents, no vull esperar 50 anys."

Holz admet que és difícil endevinar amb quina freqüència hi haurà alguna cosa després que hagi passat una sola vegada, però diu que hi ha raons d’optimisme: si ha fet les matemàtiques bé. El seu model, que va basar-se en eines estadístiques comunes per a comptabilitzar esdeveniments rars, preveu que es detectin entre 30 i 400 fusions cap al 2026. Qualsevol d’aquests resultats empenyeria la incertesa a la constant de Hubble al 3%, segons espera. ha d’esperar 50 anys.

Si les ones gravitacionals ens permeten observar de manera definitiva l'expansió de l'univers, hi ha tres possibles resultats. Les dades LIGO podrien fer el mètode CMB, cosa que significa que l'escala còsmica no va arribar a les supernoves amb precisió. Riess diu que només una "conspiració d'errors" podria explicar com mitja dotzena de mètodes de calibració independents van fallar tots tan malament i sembla que aquest cas ha estat afectat per un llamp diverses vegades.

Tant Holz com Riess asseguren que seria molt més interessant que les estrelles de neutrons donessin suport al càlcul de la supernova, cosa que indicaria una assumpció equivocada de com va evolucionar l’univers des del seu naixement fins ara, un signe molt esperat de la nova física. La gravetat podria haver actuat de manera diferent del que esperem, especula Holz, o hi podrien haver partícules no descobertes que falten de la comptabilitat cosmològica.

De forma alternativa, LIGO podria tornar amb una mesura completament diferent per a la constant Hubble, fora de la gamma fixada tant per les supernoves com pel CMB. Aquest resultat crearia un escenari de malson, agitant la cosmologia al seu nucli. "Això només posaria en dubte totes les nostres capacitats per fer períodes de mesurament", afirma Riess, "espero que no estiguem en aquest lloc".

Per ara, Holz només es mostra emocionat que la seva aposta està donant els seus fruits. L’any passat va pensar que el primer punt de dades encara quedava una dècada, i d’aquí a uns mesos escoltarà el segon quan LIGO torni a estar en línia el febrer. "He estat anys treballant en aquesta idea i desenvolupant-la", afirma Holz. "I en menys de mig dia, em va sortir davant meu".

Es van explicar les lents addicionals de la càmera del telèfon intel·ligent

Es van explicar les lents addicionals de la càmera del telèfon intel·ligent

La tecnologia més interessant del 2017 per casa vostra

La tecnologia més interessant del 2017 per casa vostra

El nou sistema de votació de Maine és matemàticament superior i constitucionalment qüestionable

El nou sistema de votació de Maine és matemàticament superior i constitucionalment qüestionable