Biases from Astrophysical Environmental Effects in Standard-Siren Cosmology

Het universum breidt uit, en al decennia proberen astronomen precies te meten hoe snel dat gebeurt. Deze snelheid, bekend als de Hubble-constante, is een fundamentele waarde die ons iets vertelt over de leeftijd en de omvang van het kosmos. Om deze te vinden, gebruiken wetenschappers traditioneel twee verschillende methoden die fungeren als kosmische linialen. De ene methode kijkt naar het zeer vroege universum, waarbij gebruik wordt gemaakt van de overgebleven gloed van de oerknal om te berekenen hoe snel de ruimte zou moeten uitrekken. De andere methode kijkt naar het nabijgelegen universum door exploderende sterren en andere heldere objecten te observeren om de expansie direct te meten. Vreemd genoeg geven deze twee methoden verschillende antwoorden, een puzzel die bekend staat als de Hubble-spanning. Het is mogelijk dat het verschil voortkomt uit een fout in hoe we meten, of het zou kunnen betekenen dat ons begrip van de natuurkunde incompleet is.

Een derde, onafhankelijke manier om deze expansie te meten, is recentelijk opgekomen met behulp van zwaartekrachtgolven. Dit zijn rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt door gewelddadige kosmische gebeurtenissen, zoals de botsing van twee neutronensterren. Wanneer deze sterren op elkaar botsen, sturen ze een signaal uit dat ons precies vertelt hoe ver ze weg zijn, zonder dat we een ladder van andere metingen hoeven te beklimmen om daar te komen. Als we ook het sterrenstelsel kunnen vinden waar de botsing plaatsvond en kunnen bepalen hoe snel dat sterrenstelsel van ons af beweegt, kunnen we de expansiesnelheid van het universum met hoge precisie berekenen. Deze methode wordt standoorsiren-kosmologie genoemd, en met de volgende generatie detectoren belooft dit een van de meest nauwkeurige instrumenten te worden die we hebben. Echter, voor dit instrument om perfect te werken, moeten we er zeker van zijn dat niets het signaal verstoort terwijl het naar ons toe reist.

Een team van onderzoekers heeft nu een subtiele maar potentieel gevaarlijke bron van verstoring onderzocht. Ze richtten zich op wat er gebeurt wanneer twee neutronensterren niet alleen in een lege ruimte zweven, maar in plaats daarvan in een baan om elkaar heen bewegen binnen een dichte, drukke omgeving, zoals de kolkende schijf van gas rond een supermassief zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel. In deze drukke buurten bewegen de sterren niet in een eenvoudige cirkel; ze worden geduwd en getrokken door de zwaartekracht van nabijgelegen objecten en de weerstand van het omringende gas. Dit veroorzaakt dat de sterren versnellen langs de gezichtslijn, wat betekent dat ze ten opzichte van ons versnellen of vertragen op een manier die in de loop van de tijd verandert. De onderzoekers wilden weten of deze versnelling onze detectoren zou kunnen misleiden, waardoor ze een foutief antwoord geven over de afstand tot de sterren en daarmee een foutief antwoord over de expansie van het universum.

Om dit te achterhalen, maakten de wetenschappers een computersimulatie van vijftig binaire neutronensterbotsingen. Ze stelden zich voor dat deze sterren zich in de centra van sterrenstelsels bevonden, waar ze verschillende niveaus van versnelling ervoeren als gevolg van hun omgeving. Vervolgens draaiden ze deze gesimuleerde signalen door de data-analysesoftware die toekomstige detectoren, zoals de Einstein Telescope en Cosmic Explorer, zullen gebruiken om echte gebeurtenissen te bestuderen. Cruciaal was dat de software die ze gebruikten ontworpen was voor het ideale geval: het ging ervan uit dat de sterren in een perfect vacuüm bewogen zonder externe krachten die op hen inwerken. De onderzoekers wilden zien wat er zou gebeuren als de echte wereld rommeliger was dan het model veronderstelde.

De resultaten toonden aan dat het negeren van de omgevingsdruk en -trek een systematische fout creëert. Wanneer de software signalen analyseerde die daadwerkelijk versnelling bevatten, schatte het de afstand tot de sterren consequent verkeerd in. Het berekende dat de sterren verder weg waren dan ze in werkelijkheid waren. Omdat de afstand een essentieel onderdeel is van de berekening voor de expansiesnelheid, zorgde deze fout ervoor dat de uiteindelijke schatting van de expansie van het universum te laag uitviel. De onderzoekers ontdekten dat deze bias niet verdwijnt wanneer je naar meer gebeurtenissen kijkt. Sterker nog, het tegenovergestelde gebeurt. Wanneer je de gegevens van veel sterren combineert, wordt de statistische onzekerheid kleiner, waardoor het resultaat nauwkeuriger lijkt. Maar als elke meting in dezelfde verkeerde richting verschoven is, wordt het uiteindelijke antwoord een zeer precieze, zeer zelfverzekerde, maar volkomen foutieve waarde.

De studie kwantificeerde hoe groot dit probleem precies kon zijn. Ze ontdekten dat zelfs als slechts een klein deel van de geobserveerde sterren wordt beïnvloed door deze versnelling, de fout aanzienlijk kan zijn. Bijvoorbeeld, als tien procent van de sterren in een steekproef van vijftig beweegt met een specifiek type versnelling, kan het uiteindelijke resultaat meer dan drie keer de verwachte foutenmarge bedragen. Als de versnelling sterker is, kan zelfs een kleinere fractie van de beïnvloede sterren een grote verschuiving veroorzaken. De onderzoekers merkten op dat dit effect bijzonder lastig is omdat de richting van de versnelling — of de sterren nu naar ons toe versnellen of van ons af vertragen — de fout niet wegneemt. De analyse heeft de neiging de afstand te overschatten, ongeacht de richting, wat leidt tot een consistente onderschatting van de expansiesnelheid.

Deze bevinding suggereert dat de omgeving waar deze sterren samensmelten niet slechts een achtergronddetail is, maar een cruciale factor in de kosmologie. Als toekomstige detectoren honderden van deze gebeurtenissen waarnemen, kunnen de kleine biases van individuele sterren zich opstapelen tot een grote systematische fout die ons hele begrip van de expansie van het universum kan verstoren. De onderzoekers concluderen dat we, om de hoge precisie te bereiken die de volgende generatie detectoren belooft, onze modellen moeten bijwerken om deze omgevingsfactoren in te sluiten. Door dit te doen, kunnen we niet alleen de meting van de Hubble-constante corrigeren, maar kunnen we ook meer leren over de dichte, chaotische regio's waar deze kosmische botsingen plaatsvinden. De weg naar een nauwkeurige meting van de expansie van het universum vereist nu dat we ook nauwkeuriger kijken naar de drukke buurten waar de sterren leven.