روشی تازه برای اندازه‌گیری "ثابت هابل"

اخترشناسان به کمک تلسکوپ‌های رادیوییِ بنیاد ملی دانش (ان‌اس‌اف) نشان داده‌اند که با ترکیب داده‌های موج گرانشیو امواج رادیویی به همراه مدل‌سازی نظری، می‌توان ادغام دو ستاره‌ی نوترونیرا به یک "خط‌کش کیهانی"برای سنجش روند گسترش (انبساط) کیهانتبدیل کرد و پاسخ این پرسش بزرگ درباره‌ی نرخ این گسترش را پیدا کرد.

برداشت هنری از انفجار و فوران امواج گرانشی در پی برخورد دو ستاره‌ی نوترونی. رصدهای تازه با تلسکوپ‌های رادیویی نشان می‌دهند که چنین رویدادی می‌تواند برای سنجش نرخ گسترش کیهان سودمند باشد. تصویر در اندازه‌ی بزرگ‌تر

اخترشناسان با بهره از آرایه‌ی خط پایه‌ی بسیار بلند (وی‌ال‌بی‌ای)، آرایه‌ی بسیار بزرگ کارل جانسکی (وی‌ال‌ای)، و تلسکوپ گرین بنک رابرت سی. برد (جی‌بی‌تی) پیامدهای برخورد دو ستاره‌ی نوترونی در سال ۲۰۱۷ که به تولید امواج گرانشی انجامید را بررسی کردند [رویداد جی‌دبلیو۱۷۰۸۱۷که اینجا درباره‌اش خواندید: *برای نخستین بار، دریافت همزمان امواج گرانشی و امواج الکترومغناطیسی از یک رویداد کیهانی].

این رویداد راهکار تازه‌ای برای سنجش نرخ گسترش کیهان، چیزی که به نام ثابت هابلشناخته می‌شود به ما می‌دهد. نرخ گسترش کیهان می‌تواند برای سنجش اندازه و سن آن سودمند باشد، و همچنین می‌تواند به عنوان ابزاری عمده برای تفسیر مشاهداتمان از اجرام در هر نقطه‌ای از کیهان به کار رود.

دو روش اصلی برای اندازه‌گیری ثابت هابل وجود دارد که در یکی از آنها از ویژگی‌های تابش زمینه‌ی ریزموج کیهانی -تابش به جا مانده از مهبانگ- بهره گرفته می‌شود، و در دیگری از یک گونه‌ی ویژه‌ی ابرنواخترها به نام ابرنواخترهای رده‌ی یکم‌ای (Type Ia) در دوردست‌های کیهان. ولی این دو روش پاسخ‌های متفاوتی به ما می‌دهند.

کونال مولی از رصدخانه‌ی ملی رادیواخترشناسی (نارو) و کلتک می‌گوید: «ادغام ستارگان نوترونی روشی تازه برای اندازه‌گیری ثابت هابل به ما می‌دهد، و امیدواریم این مساله را حل کند.»

این روش همانند روشی‌ست که در آن از ابرخواخترها بهره گرفته می‌شود. به باور دانشمندان، ابرنواخترهای یکم‌ای همگی دارای درخشی ذاتی هستند که می‌توان آن را بر پایه‌ی سرعت افزایش نور و سپس کاهش نور و خاموشی آن اندازه گرفت. سپس با اندازه‌گیری درخششی که از آن روی زمین دیده می‌شود، فاصله‌اش را می‌توان اندازه گرفت. با سنجش میزان جابجایی دوپلری در نورِ کهکشان میزبانش، می‌توانیم سرعتِ دور شدن این کهکشان از زمین را اندازه بگیریم. با تقسیم سرعت بر فاصله، ثابت هابل به دست می‌آید. برای رسیدن به اندازه‌ی قطعی "ثابت هابل"نیاز به شمار بسیاری از این گونه اندازه‌گیری‌ها در فاصله‌های گوناگون داریم.

هنگامی که دو ستاره‌ی نوترونی به هم برخورد می‌کنند یک انفجار به همراه فورانی از امواج گرانشی پدید می‌آید. شکل سیگنال موج گرانشی میزان "درخشش"یا شدتِ آن فورانِ موج گرانشی را به دانشمندان می‌گوید. اندازه‌گیری این شدت امواج گرانشی به هنگام دریافت آنها روی زمین، می‌تواند فاصله‌ی انفجار را به ما بگوید.

مولی می‌گوید: «این یک رایکار سنجشیِ کاملا مستقل است که امیدواریم بتواند مقدار واقعیِ "ثابت هابل"را به ما بگوید.»

ولی اینجا نکته‌ای هست. شدت امواج گرانشی بر پایه‌ی جهت‌گیری آنها نسبت به صفحه‌ی مداری دو ستاره‌ی نوترونی تغییر می‌کند. اگر ما از روی زمین، صفحه‌ی مداری دو ستاره‌ی نوترونی را عمود بر آن (از رو برو) ببینیم، یعنی مدارشان رونما باشد، امواج گرانشیِ دریافت شده نیرومندتر از زمانیست که صفحه‌ی مداری آنها نسبت به ما لبه‌نما باشد، یعنی آن را از لبه ببینیم.

آدام دلر از دانشگاه صنعتی سوینبرن استرالیا می‌گوید: «برای به کار بردن امواج گرانشی در اندازه‌گیری فاصله، باید جهت‌گیری آن را بدانیم.»

اخترشناسان به کمک داده‌های رادیویی از فواره‌ای که در پی ادغام دو ستاره‌ی نوترونی پدید آمده توانستند جهت‌گیری صفحه‌ی مداری دو ستاره‌ی نوترونی که پیش از ادغام داشتند را تعیین کنند، و از این راه "درخشش"یا همان شدت امواج گرانشیِ آن برخورد در راستای رو به زمین را اندازه بگیرند. بنابراین چنین رویدادهایی می‌توانند به ابزاری تازه و ارزشمند برای سنجش نرخ گسترش کیهان تبدیل شوند.

اخترشناسان در یک دوره‌ی چندماهه به کمک تلسکوپ‌های رادیویی جابجایی و حرکت یک فواره‌ی اَبَرسریعِ مواد که از آن انفجار بیرون می‌زند را سنجیدند. ایهود ناکار از دانشگاه تل‌آویو می‌گوید: «ما با بهره از این سنجش‌ها و همچنین شبیه‌سازی‌های پرجزییات هیدرودینامیکی، زاویه‌ی جهت‌گیری این انفجار را اندازه گرفتیم، و از این راه توانستیم با بهره از امواج گرانشی، فاصله را تعیین کنیم.»

دانشمندان می‌گویند این تک اندازه‌گیری از رویدادی در فاصله‌ی ۱۳۰ میلیون سال نوری هنوز برای حل این بی‌قطعیتی (عدم قطعیت) در ثابت هابل کافی نیست، ولی این روش دیگر می‌تواند در رویدادهای آینده‌ی ادغام ستارگان نوترونی که با دریافت امواج گرانشی همراهند به کار رود.

کنتا هوتوکیزاکا، رهبر این پژوهش از دانشگاه پرینستون می‌گوید: «به نظر ما ۱۵ تای دیگر از این رویدادها که هم امواج گرانشی‌شان دریافت شود و هم با تلسکوپ‌های رادیویی با دقت رصد شوند، شاید بتوانند این مساله را حل کنند. این یک پیشرفت مهم در شناخت ما از یکی از مهم‌ترین جنبه‌های کیهان خواهد بود.»

این دانشمندان گزارش یافته‌های خود را در نشریه‌ی نیچر آسترونومی منتشر کرده‌اند.

--------------------------------------------