Astrofizikçiler kozmik genişlemeyi ölçmenin yeni bir yolunu öneriyor: merceklenmiş yerçekimi dalgaları

Evren genişliyor; yaklaşık bir asırdır bunun kanıtlarına sahibiz. Ancak gök cisimlerinin birbirinden ne kadar hızlı uzaklaştığı hala tartışmaya açık.

Geniş mesafelerde nesnelerin birbirinden uzaklaşma hızını ölçmek hiç de azımsanmayacak bir başarıdır. Kozmik genişlemenin keşfedilmesinden bu yana, oranı artan hassasiyetle ölçüldü ve yeniden ölçüldü; en son değerlerin bazıları megaparsek başına saniyede 67.4 ila 76.5 kilometre arasında değişiyor, bu da durgunluk hızını (saniyede kilometre cinsinden) mesafe (megaparsek olarak).

Farklı kozmik genişleme ölçümleri arasındaki tutarsızlığa “Hubble gerilimi” denir. Bazıları bunu kozmolojide bir kriz olarak adlandırdı. Ancak UC Santa Barbara teorik astrofizikçi Tejaswi Venumadhav Nerella ve Hindistan, Bangalore’deki Tata Temel Araştırma Enstitüsü’ndeki meslektaşları ve Hindistan, Pune’daki Üniversiteler Arası Astronomi ve Astrofizik Merkezi için bu heyecan verici bir zaman.

2015’te yerçekimi dalgalarının ilk tespitinden bu yana, dedektörler önemli ölçüde iyileştirildi ve önümüzdeki yıllarda zengin sinyaller vermeye hazırlanıyor. Nerella ve meslektaşları, evrenin genişlemesini ölçmek için bu sinyalleri kullanmanın ve belki de tartışmanın kesin olarak çözülmesine yardımcı olmanın bir yöntemini buldular. Yayınlanan bir makalenin ortak yazarı Nerella, “Geleceğin dedektörlerinin önemli bir bilimsel hedefi, yerçekimi dalgası olaylarının kapsamlı bir kataloğunu sunmaktır ve bu, olağanüstü veri setinin tamamen yeni bir kullanımı olacaktır” dedi. Fiziksel İnceleme Mektupları.

Kozmik genişleme oranının ölçümleri, hız ve mesafeye indirgenir. Gökbilimciler, mesafeleri ölçmek için iki tür yöntem kullanırlar: İlki, uzunluğu bilinen nesnelerle (“standart cetveller”) başlar ve gökyüzünde ne kadar büyük göründüklerine bakar. Bu “nesneler”, kozmik arka plan radyasyonundaki veya evrendeki galaksilerin dağılımındaki özelliklerdir.

İkinci bir yöntem sınıfı, parlaklığı bilinen nesnelerle (“standart mumlar”) başlar ve görünür parlaklıklarını kullanarak Dünya’dan olan mesafelerini ölçer. Bu mesafeler, genellikle “kozmik mesafe merdiveni” olarak adlandırılan bir ölçüm şemaları zinciri oluşturan daha uzaktaki parlak nesnelerinkiyle bağlantılıdır. Bu arada, yerçekimi dalgalarının kendileri de kozmik genişlemenin ölçülmesine yardımcı olabilir, çünkü nötron yıldızlarının veya kara deliklerin çarpışmasıyla salınan enerji bu nesnelere olan mesafeyi tahmin etmek için kullanılabilir.

Nerella ve ortak yazarlarının önerdiği yöntem, ikinci sınıfa ait ancak kütleçekimsel merceklemeyi kullanıyor. Bu, büyük nesneler uzay-zamanı büktüğünde ve nesnelerin yakınında hareket eden her türden dalgayı büktüğünde ortaya çıkan bir olgudur. Nadir durumlarda, mercekleme, Dünya’ya farklı zamanlarda ulaşan aynı yerçekimi dalgası sinyalinin birden çok kopyasını üretebilir – araştırmacılara göre, evrenin genişleme oranını hesaplamak için birden fazla görüntülenmiş olay popülasyonunun sinyalleri arasındaki gecikmeler kullanılabilir.

Nerella, “Yerçekimi dalgası dedektörlerinin ne kadar hassas olduğunu çok iyi anlıyoruz ve hiçbir astrofiziksel karışıklık kaynağı yok, bu nedenle olay kataloğumuza neyin girdiğini doğru bir şekilde açıklayabiliyoruz” dedi. “Yeni yöntem, mevcut yöntemlerin tamamlayıcısı olan hata kaynaklarına sahip ve bu da onu iyi bir ayrımcı yapıyor.”

Bu sinyallerin kaynakları ikili karadelikler olacaktır: birbirinin yörüngesinde dönen ve nihayetinde birleşen, yerçekimi dalgaları şeklinde büyük miktarda enerji salan iki karadelik sistemi. Bu sinyallerin güçlü bir şekilde merceklenmiş örneklerini henüz tespit edemedik, ancak yeni nesil yer tabanlı dedektörlerin gerekli hassasiyet seviyesine sahip olması bekleniyor.

Çalışmanın ortak yazarı Parameswaran Ajith, “Önümüzdeki birkaç yıl içinde merceklenmiş yerçekimi dalgalarının ilk gözlemini bekliyoruz” dedi. Ek olarak, geleceğin bu dedektörleri uzayın daha uzağını görebilmeli ve daha zayıf sinyalleri algılayabilmelidir.

Yazarlar, bu gelişmiş detektörlerin önümüzdeki on yıl içinde kara delikleri birleştirme arayışına başlamasını bekliyor. Küçük bir kısmı (yaklaşık 10.000) yerçekimsel mercekleme nedeniyle aynı dedektörde birden çok kez görünecek olan birkaç milyon kara delik çiftinden kayıt sinyalleri bekliyorlar. Bu tekrarlanan görünümler arasındaki gecikmelerin dağılımı, Hubble genişleme oranını kodlar.

Baş yazar Souvik Jana’ya göre, diğer ölçüm yöntemlerinin aksine, bu yöntem bu ikili karadeliklerin kesin konumlarını veya mesafelerini bilmeye dayanmıyor. Tek gereklilik, bu merceklenmiş sinyallerin yeterince büyük bir kısmını doğru bir şekilde tanımlamaktır. Araştırmacılar, merceklenmiş yerçekimi dalgalarının gözlemlerinin, evrenin enerji içeriğinin çoğunu oluşturan görünmez karanlık maddenin doğası gibi diğer kozmolojik sorular hakkında ipuçları bile sağlayabileceğini ekliyor.