Jak rychle se rozpíná vesmír? Výpočet z gravitačních vln vychází pomalejší než u jiných metod

23. 12. 2020

Gravitační vlny Neutronové hvězdy

Vědci zkombinovali měření gravitačních vln, které vznikly kolizí neutronových hvězd, s elektromagnetickým zářením z těchto událostí. Výsledkem jejich výzkumu je nový odhad pro rychlost rozpínání vesmíru. Tzv. hubblova konstanta, která rozpínání vesmíru popisuje, jim vyšla 66 km/s/Mpc, což je méně než vychází například z pozorování reliktního záření, u kterého vychází hodnota hubblovy konstanty mezi 67 a 70 km/s/Mpc.

Kolize neutronových hvězd GW170817, rentgenová pozorování

Vlevo je snímek z vesmírného teleskopu Chandra ze srpna 2017, který zobrazuje kolizi neutronových hvězd GW170817 v rentgenovém záření. Vpravo je snímek ze stejného teleskopu z prosince 2017, kde je GW170817 zřetelně silnější než byla v srpnu.

Image credit: NASA, McGill University

Gravitační vlny jsou nerovnosti v časoprostoru způsobené interakcí extrémně hmotných těles jako jsou neutronové hvězdy nebo černé díry. Při srážce těchto objektů dochází k deformaci časoprostoru, která se šíří vesmírem a je detekovatelná extrémně citlivými přístroji na Zemi. Díky tomuto efektu mohou vědci zkoumat vzdálené černé díry i bez detekce elektromagnetické radiace (světlo, rádiové vlny, rentgen,...).

  
První detekce gravitačních vln: 14. září 2015 (publikováno v únoru 2016)
  
Počet detekcí: 90 potvrzených do listopadu 2021 (a k tomu desítky dalších detekcí s menší mírou jistoty)
  
Detektory: LIGO, VIRGO, KAGRA

Přesná rychlost rozpínání vesmíru je zatím neznámá. Různými způsoby výpočtu vychází toto číslo vždy jiné. Největší rozdíl se jeví mezi výpočtem z reliktního záření, které pochází z raného vesmíru a podle kterého se vesmír rozpíná rychlostí kolem 68 km/s/Mpc, a z pozorování blízkých objektů jako jsou supernovy, cepheidy a jiné objekty, zde vychází hubblova konstanta nad 70 km/s/Mpc. 

Výpočet pomocí gravitačních vln je zcela nový přístup, který byl umožněn první detekcí kolize neutronových hvězd v roce 2017. Právě kolize neutronových hvězd totiž generuje jak gravitační vlny, tak také světlo, které lze analyzovat (u většiny detekovaných gravitačních vln byla původem kolize černých děr, ze které žádné světlo do vesmíru neuniká).

Nová metoda zkoumání rozpínání vesmíru ale zatím nemá příliš s čím pracovat, světlo i gravitační vlny se zatím podařilo detekovat pouze z jediné takové události (GW170817). I když gravitační detektory LIGO a Virgo zachytily v roce 2019 dalšího pravděpodobného kandidáta, nepodařilo se u něj zjistit žádnou elektromagnetickou radiaci (mohla vzniknout černá díra, která světlo z této události pohltila). Hubblova konstanta vypočítaná tímto způsobem se bude postupně zpřesňovat, jak budou přicházet další pozorování.

Rozpínání vesmíru

Rozpínání vesmíru se měří prostřednictvím hubblovy konstanty H0 (Hubblův-Lemaîterův zákon), která udává o kolik kilometrů se za sekundu rozšíří prostor jednoho megaparseku (3,26 milionů světelných let). Způsobů k vypočítání této hodnoty je několik, v blízkém vesmíru například astronomové pozorují konkrétní hvězdy (cefeidy) nebo supernovy, u kterých pomocí rudého posuvu pozorují, jak rychle se od nás vzdalují. Ve vzdáleném vesmíru zkoumají reliktní záření (CMB). Novým způsobem je potom zkoumání rozpínání vesmíru pomocí gravitačních vln.


  

    
Rok
    
Metoda
    
Výsledek
km/s/Mpc
  

    
1929
    
Edwin Hubble potvrdil, že se vesmír rozpíná. Konstantu rozpínání tehdy určil na 500 km/s na megaparsek, takto vysoká byla kvůli různým nepřesnostem při měření.
    
500
  

    
1950´s
    
Zpřesnění hubblovy konstanty.
    
70
  

    
1990´s
    
Potvrzení zrychlující se expanze vesmíru, temná energie se stává nejpřijímanějším vysvětlením tohoto zrychlování.
    

  

    
2001-2010
    
Americká vesmírná sonda WMAP změřila hubblovu konstantu pozorováním reliktního záření po velkém třesku.
    
68-70
  

    
2009-2013
    
Evropská vesmírná sonda Planck naměřila ještě nižší hodnoty hubblovy konstanty podobnou metodou jako WMAP.
    
67-68
  

    
2016
    
Měření rychlosti vzdalování supernov typu Ia od Země.
    
72-75
  

    
2017
    
Na prvních několika detekovaných gravitačních vlnách bylo ověřeno, že lze rozpínání vesmíru odvodit také tímto způsobem, hodnoty jsou však zatím velmi nepřesné (62-82 km/s na megaparsek) a vyžadují více detekcí gravitačních vln.
    
62-82
  

    
2018 
    
Hodnoty odvozené z pozorování cefeid potvrzují nesouvislost mezi měřeními mikrovlnného záření a pozorování hvězd a supernov.
    

  

    
2019
    
Pozorování světla vzdálených kvazarů, jejichž světlo bylo rozděleno gravitační čočkou.
    
72,5
  

    
2019
    
Zpřesnění měření pomocí pozorování cepheid Hubblovým teleskopem.
    
74,03
  

    
2019
    
Na základě detekovaných gravitačních vln z kolize neutronových hvězd a následného elektromagnetického záření přišli vědci s novou hodnotou hubblovy konstanty.
    
70.3
  

    
2019
    
Měření pomocí pozorování červených obrů Hubblovým teleskopem.
    
69.8
  

    
2019
    
Gama záření a rozptýlené extragalaktické světelné pozadí
    
67,4
  

    
2020
    
Porovnání gravitačních vln a elektromagnetického záření z kolizí neutronových hvězd
    
66,2