Kollisionen von Schwarzen Löchern könnten uns helfen zu messen, wie schnell sich das Universum ausdehnt

Ein Schwarzes Loch ist normalerweise der Ort, an dem Informationen verschwinden – aber Wissenschaftler haben möglicherweise einen Trick gefunden, um ihre letzten Momente zu nutzen, um uns etwas über die Geschichte des Universums zu erzählen.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungentwickelten zwei Astrophysiker der University of Chicago eine Methode, wie man Paare kollidierender Schwarzer Löcher verwenden kann, um zu messen, wie schnell sich unser Universum ausdehnt – und so zu verstehen, wie sich das Universum entwickelt hat, woraus es besteht und wohin es geht.

Insbesondere glauben die Wissenschaftler, dass die neue Technik, die sie „Spektralsirene“ nennen, uns möglicherweise etwas über die ansonsten schwer fassbaren „Teenager“-Jahre des Universums sagen kann.

Ein kosmischer Herrscher

Eine wichtige laufende wissenschaftliche Debatte ist, wie schnell sich das Universum ausdehnt – eine Zahl, die als Hubble-Konstante bezeichnet wird. Die verschiedenen bisher verfügbaren Methoden liefern leicht unterschiedliche Antworten, und die Wissenschaftler sind bestrebt, alternative Wege zu finden, um diese Rate zu messen. Die Überprüfung der Genauigkeit dieser Zahl ist besonders wichtig, da sie unser Verständnis grundlegender Fragen wie Alter, Geschichte und Zusammensetzung des Universums beeinflusst.

Die neue Studie bietet eine Möglichkeit, diese Berechnung durchzuführen, indem sie spezielle Detektoren verwendet, die die kosmischen Echos von Kollisionen mit Schwarzen Löchern auffangen.

Gelegentlich prallen zwei Schwarze Löcher aufeinander – ein Ereignis, das so stark ist, dass es buchstäblich eine Welle in der Raumzeit erzeugt, die sich durch das Universum ausbreitet. Hier auf der Erde können das US Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) und das italienische Observatorium Virgo diese Wellen, die Gravitationswellen genannt werden, auffangen.

In den letzten Jahren haben LIGO und Virgo die Messwerte von fast 100 Paaren kollidierender Schwarzer Löcher gesammelt.

Das Signal jeder Kollision enthält Informationen darüber, wie massiv die Schwarzen Löcher waren. Aber das Signal ist durch den Weltraum gereist, und während dieser Zeit hat sich das Universum ausgedehnt, was die Eigenschaften des Signals verändert. „Wenn Sie zum Beispiel ein Schwarzes Loch nehmen und es früher im Universum platzieren würden, würde sich das Signal ändern und es würde wie ein größeres Schwarzes Loch aussehen, als es wirklich ist“, erklärte der Astrophysiker Daniel Holz von UChicago, einer der beiden Autoren der Studie Papier.

Wenn Wissenschaftler einen Weg finden, zu messen, wie sich dieses Signal verändert hat, können sie die Expansionsrate des Universums berechnen. Das Problem ist die Kalibrierung: Woher wissen sie, wie stark sie sich gegenüber dem Original verändert hat?

In ihrem neuen Artikel schlagen Holz und Erstautor Jose María Ezquiaga vor, dass sie unser neu gewonnenes Wissen über die gesamte Population von Schwarzen Löchern als Kalibrierungswerkzeug verwenden können. Aktuelle Beweise deuten beispielsweise darauf hin, dass die meisten der entdeckten Schwarzen Löcher zwischen dem Fünf- und 40-fachen der Masse unserer Sonne haben. „Also messen wir die Massen der nahen Schwarzen Löcher und verstehen ihre Eigenschaften, und dann schauen wir weiter weg und sehen, wie stark sich diese weiter entfernten verschoben haben“, sagte Ezquiaga, ein NASA Einstein Postdoctoral Fellow und Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow Zusammenarbeit mit Holz bei UChicago. „Und das gibt Ihnen ein Maß für die Ausdehnung des Universums.“

Die Autoren nennen es die „Spektralsirenen“-Methode, eine neue Herangehensweise an die „Standardsirenen“-Methode, die Holz und seine Mitarbeiter entwickelt haben. (Der Name bezieht sich auf die auch in der Astronomie verwendeten „Standard-Kerzen“-Methoden.)

Die Wissenschaftler sind begeistert, da die Methode in Zukunft, wenn die Möglichkeiten von LIGO erweitert werden, ein einzigartiges Fenster in die „Teenager“-Jahre des Universums vor etwa 10 Milliarden Jahren bieten könnte, die mit anderen Methoden schwer zu untersuchen sind.

Forscher können den kosmischen Mikrowellenhintergrund verwenden, um die frühesten Momente des Universums zu betrachten, und sie können sich in Galaxien in der Nähe unserer eigenen Galaxie umsehen, um die jüngere Geschichte des Universums zu studieren. Aber die Zwischenzeit ist schwieriger zu erreichen und ein Bereich von besonderem wissenschaftlichem Interesse.

„Ungefähr zu dieser Zeit wechselten wir von der Dunklen Materie als vorherrschende Kraft im Universum zur Macht der Dunklen Energie, und wir sind sehr daran interessiert, diesen kritischen Übergang zu untersuchen“, sagte Ezquiaga.

Der andere Vorteil dieser Methode besteht laut den Autoren darin, dass es weniger Unsicherheiten gibt, die durch Lücken in unserem wissenschaftlichen Wissen entstehen. „Durch die Verwendung der gesamten Population von Schwarzen Löchern kann sich die Methode selbst kalibrieren und Fehler direkt identifizieren und korrigieren“, sagte Holz. Die anderen Methoden zur Berechnung der Hubble-Konstante beruhen auf unserem derzeitigen Verständnis der Physik von Sternen und Galaxien, das eine Menge komplizierter Physik und Astrophysik beinhaltet. Das bedeutet, dass die Messungen ziemlich durcheinander geraten können, wenn wir etwas noch nicht wissen.

Im Gegensatz dazu stützt sich diese neue Methode des Schwarzen Lochs fast ausschließlich auf Einsteins Gravitationstheorie, die gut untersucht ist und sich gegen alle bisherigen Versuche der Wissenschaftler gewehrt hat, sie zu testen.

Je mehr Messwerte sie von allen Schwarzen Löchern haben, desto genauer wird diese Kalibrierung. „Wir brauchen vorzugsweise Tausende dieser Signale, die wir in ein paar Jahren haben sollten, und noch mehr in den nächsten ein, zwei Jahrzehnten“, sagte Holz. „An diesem Punkt wäre es eine unglaublich mächtige Methode, um etwas über das Universum zu lernen.“