A Hubble-állandó mérése gravitációs hullámok segítségével: standard szirénák

2021

A csillagászati távolságmérés messze nem triviális feladat. A különböző, több-kevesebb bizonytalansággal terhelt távolságmérési módszerek különféle távolságtartományokra használhatóak, így sok módszer egymásra támaszkodik, a távolabbit a közelebbivel kalibrálják – ez a kozmikus távolságlétra. Az egymásra épülő módszerek bizonytalansága pedig összegződik. Ezért nagyon fontos, hogy minél több egymástól független távolságmérési módszerünk is legyen, hogy azokkal egymást is ellenőrizhessük, így javítva a pontosságot és megbízhatóságot. Most egy teljesen új módszer került a csillagászok kezébe.

Fantáziarajz a két kicsiny, ám nagyon sűrű neutroncsillagról az összeolvadásuk és a kilonóva-robbanás előtti pillanatokból. Ezek a ritka események a várakozások szerint erős gravitációs hullámokkal és gamma-kitöréssel is járnak. Mindkettőt észlelték 2017. augusztus 17-én a LIGO–Virgo, valamint a Fermi/INTEGRAL műszerekkel. Forrás: Mark Garlick (University of Warwick)

A világegyetem tágul, és emiatt a távolabbi égitestek fényének hullámhossza, míg a fény hozzánk eljut, a térrel együtt tágulva megnyúlik, vöröseltolódást szenved. Ez a kozmológiai vöröseltolódás, ami a távoli égitest tőlünk való távolodásának sebességével jellemezhető. A tágulás kozmológiai léptéken egyenletes, ezért a kozmológiai értelemben hozzánk közeli extragalaktikus égitestek megfigyelhető távolodási sebessége arányos a tőlünk mért távolságukkal. Az arányosságot a Hubble-törvény írja le:

v = H0D,

ahol v a kozmológiai vöröseltolódásra jellemző távolodási sebesség és D az égitest tőlünk mért távolsága. Az egyenes arányosságot jellemző Hubble-állandó, H0 értéke a kozmológia fontos paramétere, ma elfogadott értéke nagyjából 70 (km/s)/Mpc, a különböző módszerek eredményei közötti eltérés jellemzően néhány (km/s)/Mpc. Az egyes égitestcsoportok, jelenségek segítségével meghatározott Hubble-állandó pontossága függ az alkalmazott távolságmeghatározási módszer bizonytalanságától.

A LIGO műszerek első gravitációshullám-detektálásával 2015. szeptember 14-én megszületett gravitációshullám-csillagászat többek közt új eszközt adott az asztrofizikusok kezébe a kozmológiai léptékű távolságméréshez is. A világegyetemet addig csak láthattuk a benne terjedő elektromágneses hullámok segítségével. A kozmoszban terjedő térrezgések, a gravitációs hullámok révén két éve már már „halljuk” is az univerzumot. Standard fényességű elektromágneses hullámforrások, úgynevezett standard gyertyák például az Ia típusú szupernóvák. Ennek analógiájaként nevezték el a kompakt égitestek összespirálozásából energiát nyerő gravitációshullám-forrásokat standard szirénáknak. A standard szirénák által gravitációs hullámok formájában kibocsátott teljes energiamennyiség megbecsülhető a megfigyelt hullámforma vizsgálatával. A gravitációs hullám érzékelt erőssége pedig a forrás távolságának növekedtével pontosan ismert módon csökken, akár csak egy tőlünk távolabb és távolabb világító gyertya fényessége.

Amint arról a sajtónyilvánosság napján, október 16-án beszámoltunk, 2017. augusztus 17-én figyelték meg az első olyan gravitációshullám-jelenséget (GW170817), amelynek a forrása az égen a kiváltó esemény, egy kilonóva-robbanás elektromágneses sugárzása révén pontosan behatárolható volt. A két neutroncsillag összeolvadását gravitációs hullámok kibocsátása előzte meg, és elektromágneses sugárzás követte, a legnagyobb energiájú gamma-sugárzástól a rádióhullámokig minden hullámhossz-tartományban. A fényjelenség egy tőlünk kb. 40 Mpc-re lévő, NGC 4993 katalógusjelű elliptikus galaxis peremvidékéről származott.

A forrás távolságát a kutatók az elektromágneses sugárzáson alapuló módszerektől teljesen függetlenül, csupán a gravitációs hullámokra támaszkodva tudták meghatározni. A csillagászok feltételezték továbbá, hogy a megfigyelt optikai jelenséget valóban a gravitációs hullámokat kiváltó esemény hozta létre. Ezt a konzisztens égi pozíciók mellet a precíz időzítés is alátámasztja – a gammakitörés 2 másodperccel követte a gravitációs hullámokat. A vizsgálatot végzőknek feltételezniük kellett továbbá azt is, hogy az NGC 4993 mellett megfigyelhető jelenség valóban a galaxishoz tartozik. Egy hasonló elrendezésű véletlen egybeesés valószínűsége csupán egy a 25 ezerhez.

Az NGC 4993 galaxis a kilonóva-robbanás előtt és után. Forrás: ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan és a VIN-ROUGE projekt.

Ezen feltételezések mellett már a galaxis pontosan ismert vöröseltolódásából – illetve annak lokális mozgásokra való korrekcióját követően – és a gravitációshullám-távolságból kiszámítható volt a Hubble-állandó értéke, ami kb. 15%-os bizonytalansággal 70 (km/s)/Mpc-nek adódott, összhangban a korábbi, más módszereken alapuló eredményekkel.

Látható, hogy a módszer egyetlen objektumra még nem túlságosan precíz. A leglényegesebb hibaforrás a kibocsátó neutroncsillag-kettős pályájának a látóirányunkhoz képesti hajlásszögének bizonytalansága. Ezt a paramétert a két amerikai LIGO műszer mellett az eseményeket szintén rögzítő olaszországi VIRGO detektornak köszönhetően lehetett egyáltalán meghatározni. Ám az első, úttörő felfedezést bizonyára számos további fogja követni, és az események számával a bizonytalanság lényegesen csökkenthető, megnyitva a precíziós gravitációshullám-kozmológia korszakát.

Forrás:

Abbot et al. „A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant”, 2017. október 16., Nature, megjelenés alatt – pdf

Hozzászólás

hozzászólás