Forskare från University of Illinois Urbana-Champaign och University of Chicago har utvecklat en ny metod för att beräkna Hubblekonstanten med gravitationsvågor från svarta hål-kollisioner. Denna teknik, känd som stokastiska sirenmetoden, analyserar bakgrundsbruset från svaga sammansmältningar för att potentiellt lösa Hubble-spänningen. Resultaten, accepterade för publicering i Physical Review Letters, erbjuder förbättrad precision med nuvarande data.
Astronomer har debatterat universums expansionshastighet i årtionden och använt Hubblekonstanten för att kvantifiera den. Mätningar från tidiga universums observationer strider mot de från mer nyliga kosmiska händelser, vilket skapar Hubble-spänningen – en nyckelgåta i kosmologin. Ett team ledd av doktoranden i fysik vid Illinois Bryce Cousins har introducerat stokastiska sirenmetoden, som undersöker gravitationsvågsbakgrunden från otaliga odetekterade svarta hål-sammansmältningar. Dessa krusningar i rumtiden, detekterade av LIGO-Virgo-KAGRA-samarbetet, bildar ett svagt kosmiskt surr som avslöjar kollisionsfrekvenser över universum. Genom att koppla dessa frekvenser till det observerbara volymen infererar metoden expansionshastigheten: en lägre Hubblekonstant skulle komprimera händelserna till ett mindre utrymme och förstärka bakgrundssignalen. Med befintliga LIGO-Virgo-KAGRA-data uteslöt forskarna mycket långsamma expansionshastigheter utan att direkt detektera bakgrunden. Genom att kombinera detta med data från individuella sammansmältningar fick de en mer precis uppskattning av Hubblekonstanten, i linje med spänningens omstridda intervall. När detektorerna förbättras lovar metoden skarpare resultat; forskare förväntar sig bakgrundsdetektion inom cirka sex år. Nicolás Yunes, professor i fysik vid Illinois och grundande direktör för Illinois Center for Advanced Studies of the Universe, sade: «Detta resultat är mycket betydelsefullt – det är viktigt att få en oberoende mätning av Hubblekonstanten för att lösa den nuvarande Hubble-spänningen. Vår metod är ett innovativt sätt att förbättra precisionen i inferenser av Hubblekonstanten med gravitationsvågor.» Daniel Holz, professor i fysik och astronomi vid University of Chicago, tillade: «Det är inte varje dag man kommer på ett helt nytt verktyg för kosmologi. Vi visar att genom att använda bakgrundssurret från gravitationsvågor av sammansmältande svarta hål i avlägsna galaxer kan vi lära oss om universums ålder och sammansättning. Detta är en spännande och helt ny riktning, och vi ser fram emot att tillämpa våra metoder på framtida dataset för att hjälpa till att begränsa Hubblekonstanten samt andra nyckelkosmologiska storheter.» Studien involverade samarbetspartners inklusive Kristen Schumacher, Ka-wai Adrian Chung från Illinois, och Colm Talbot och Thomas Callister från Chicago. Finansiering kom från NSF, Simons Foundation, NASA och andra. Artikeln är planerad för 11 mars-numret av Physical Review Letters och finns på arXiv.