Fale grawitacyjne umożliwiają mierzenie wieku Wszechświata

NGC4993 – galaktyka będąca źródłem GW170817 wykorzystanego do pomiaru wieku Wszechświata. Źródło emisji fali grawitacyjnej znajduje się w czerwonej kropce znajdującej się nad i po lewej od centrum galaktyki. Źródło: NASA/ESA

Bezpośrednie odkrycie fal grawitacyjnych z co najmniej pięciu źródeł w ciągu ostatnich dwóch lat stanowi spektakularne potwierdzenie modelu grawitacji i czasoprzestrzeni opracowanego przez Einsteina. Modelowanie tych zdarzeń dostarczyło także informacji o procesach powstawania masywnych gwiazd, rozbłysków promieniowania gamma, charakterystyce gwiazd neutronowych i po raz pierwszy umożliwiło weryfikację teoretycznej wiedzy o procesach powstawania bardzo ciężkich pierwiastków takich jak chociażby złoto.

Teraz astronomowie wykorzystali jedno ze zdarzeń emisji fal grawitacyjnych – GW170817 – do zmierzenia wieku Wszechświata. Astronomowie Peter Blanchard, Tarreneh Eftekhari, Victoria Villar oraz Peter Williams z Harvardu (CfA) wraz z zespołem 1314 naukowców z całego świata przyczynili się do odkrycia fal grawitacyjnych wyemitowanych w procesie łączenia dwóch czarnych dziur, zaobserwowania towarzyszącego mu promieniowania gamma i identyfikacji źródła kataklizmu w galaktyce NGC 4993, które udało się dostrzec na zdjęcia wykonanych w zakresie radiowym i rentgenowskim.



Analiza fal grawitacyjnych z tego zdarzenia pozwoliła na obliczenie ich jasności absolutnej. Obserwowana jasność jest niższa (ponieważ jasność maleje wraz ze wzrostem odległości od źródła), co wskazuje, że źródło znajduje się 140 milionów lat świetlnych od Ziemi. NGC 4993 – galaktyka macierzysta charakteryzuje się prędkością oddalania od nas – z uwagi na rozszerzanie Wszechświata – którą można zmierzyć analizując widmo galaktyki. Informacje o odległości od Ziemi oraz o prędkości oddalania galaktyki pozwoliła naukowcom obliczyć czas, który upłynął od początku ekspansji – czyli po prostu wiek Wszechświata: miedzy 11,9 a 15,7 miliardów lat przy uwzględnieniu niepewności eksperymentalnych.

Wiek oszacowany z tego pojedynczego zdarzenia zgadza się z szacunkami opracowanymi na podstawie dekad obserwacji opierających się na metodach statystycznych przy wykorzystaniu dwóch innych źródeł: kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMBR) oraz ruchu galaktyk. CMBR opiera się na mapowaniu bardzo słabego rozkładu promieniowania datowanego na okres około 400 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. natomiast druga z tych metod obejmuje analizę statystyczną odległości i ruchu dziesiątek tysięcy galaktyk w stosunkowo nieodległej przeszłości. Tak więc fakt, że analiza jednego zdarzenia emisji fal grawitacyjnych umożliwiła określenie wieku Wszechświata jest niesamowitym osiągnięciem, które nie byłoby możliwe w przypadku dowolnych fal grawitacyjnych. W tym przypadku jednak mieliśmy do czynienia z optyczną identyfikacją źródła (dzięki czemu możliwe było zmierzenie odległości do źródła), a samo źródło nie było zbyt odległe lub zbyt ciemne. Wraz z rosnącą statystyczną próbką zdarzeń emisji fal grawitacyjnych różnego typu, obecny zakres wartości wieku także będzie się zawężał.

Nowe wyniki są intrygujące także z innego powodu. Choć pomiary CMBR oraz prędkości galaktyk są dość precyzyjne, to między nimi występują różnice rzędu dziesięciu procent. Ta niezgodność może być tylko błędem obserwacyjnym, ale niektórzy astronomowie podejrzewają, że może to być różnica ujawniająca coś czego może brakować w naszej wiedzy o procesie ekspansji. Pojawienie się trzeciej metody pomiaru wieku Wszechświata – za pomocą fal grawitacyjnych, może pozwolić rozwiązać tę zagadkę.

Źródło: CfA