The road to $H_0$, $\Omega_m$, and $w$ with a global neutrino-telescope network

Het universum dijt uit, maar astronomen zijn het er niet over eens hoe snel. Eén methode, die kijkt naar de nagloeiing van de oerknal, suggereert een specifieke snelheid. Een andere methode, die de afstanden naar nabijgelegen exploderende sterren meet, suggereert een snellere snelheid. Deze onenigheid, bekend als de Hubble-spanning, is een van de meest urgente mysteries in de moderne kosmologie. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers een compleet nieuwe manier nodig om kosmische afstanden te meten, een methode die rust op andere aannames en mogelijke fouten van bestaande methoden vermijdt. Decennialang waren hoogenergetische neutrino's — spookachtige deeltjes die bijna ongemoeid door het universum razen — een verleidelijke mogelijkheid voor zo'n instrument, maar ze waren te zwak en te zeldzaam om een duidelijk antwoord te bieden.

Een nieuwe studie stelt een manier voor om deze ongrijpbare deeltjes te transformeren tot een precieze kosmische liniaal. Door gegevens van een wereldwijd netwerk van neutrino-detectoren te combineren met observaties van röntgenstraling van actieve sterrenstelsels, hebben onderzoekers een pad uitgestippeld om de expansiesnelheid van het universum met veel grotere nauwkeurigheid te meten dan ooit tevoren. Het werk suggereert dat een gecoördineerde inspanning tussen telescopen in de Arctische regio, de Middellandse Zee en Antarctica tegen 2030 de expansiesnelheid kan vaststellen tot binnen een paar procent. Dit is meer dan alleen een getal; deze aanpak biedt een fris perspectief op de onzichtbare krachten die het kosmos vormen, en kan potentieel nieuwe details onthullen over de dichtheid van materie en de aard van donkere energie.

De sleutel tot deze nieuwe methode ligt in een verrassende connectie tussen twee zeer verschillende soorten licht. Actieve sterrenstelsels, specifiek een type genaamd Seyfert-stelsels, worden aangedreven door supermassieve zwarte gaten in hun centrum. Terwijl gas in deze zwarte gaten naar binnen kolkt, warmt het op en zendt het röntgenstraling uit. Tegelijkertijd creëert de gewelddadige omgeving deeltjes die versneld worden om hoogenergetische neutrino's te produceren. Recente observaties hebben een consistent patroon onthuld: hoe helderder een sterrenstelsel is in röntgenstraling, hoe meer neutrino's het produceert. Deze relatie fungeert als een standaardkaars. Als wetenschappers weten hoeveel röntgenlicht een sterrenstelsel zou moeten uitzenden op basis van zijn neutrino-output, kunnen ze die voorspelde helderheid vergelijken met wat er daadwerkelijk wordt waargenomen. Omdat licht en neutrino's met dezelfde snelheid reizen en niet worden gedimd door tussenliggend stof over deze enorme afstanden, vertelt elk verschil in helderheid hen precies hoe ver weg het sterrenstelsel is.

Tot nu toe werd deze methode beperkt door het aantal sterrenstelsels dat we kunnen zien en de precisie van onze instrumenten. De huidige studie levert de eerste succesvolle meting van deze techniek en projecteert hoe dit de komende jaren zal verbeteren. De onderzoekers begonnen met gegevens van IceCube, een massieve neutrino-detector die in het ijs van Antarctica is begraven. Ze combineerden dit met een nieuwe analyse van sterrenstelsels aan de zuidelijke hemelbol, die voorheen moeilijk te observeren waren omdat ze onder de horizon van de Antarctische detector verschijnen. Door gegevens toe te voegen van twee andere grote detectoren, KM3NeT in de Middellandse Zee en Baikal-GVD in het Baikalmeer, creëerde het team een wereldwijd netwerk dat de hele hemel kan zien.

De resultaten van dit wereldwijde netwerk zijn opmerkelijk. De huidige meting van de expansiesnelheid van het universum, bekend als de Hubble-constante, heeft een grote foutmarge en varieert sterk. De nieuwe analyse, gebruikmakend van bestaande gegevens, verfijnt dit met een centrale waarde van 66. Met het oog op 2030, wanneer de nieuwe detectoren volledig operationeel zijn en er meer gegevens zijn verzameld, wordt verwacht dat de onzekerheid drastisch zal afnemen. De prognose suggereert dat de meting zal verstrakken, met een centrale waarde van 66. Dit komt overeen met een reductie van de onzekerheid van bijna twee derde, waardoor de op neutrino's gebaseerde meting in veel scherpere focus komt te staan.

Naast de expansiesnelheid verheldert de studie ook de relatie tussen de röntgen- en neutrino-emissies. De gegevens wijzen op een specifieke wiskundige helling die beschrijft hoe de twee soorten licht met elkaar schalen. De huidige gegevens suggereren dat deze helling ongeveer 0,72 is, wat betekent dat de neutrino-output langzamer groeit dan de röntgenoutput. Tegen 2030 projecteren de onderzoekers dat zij in staat zullen zijn om deze helling met zodanige precisie te meten dat zij definitief het eenvoudigere, "calorimetrische" model kunnen uitsluiten, waarbij de twee even snel zouden groeien. Deze bevestiging van de specifieke helling is cruciaal, omdat het het fysieke model valideert dat wordt gebruikt om de neutrino-tellingen om te zetten in afstandmetingen.

De kracht van dit netwerk strekt zich uit voorbij het louter meten van hoe snel het universum vandaag de dag uitdijt. De onderzoekers stellen voor dat als dezezelfde relatie standhoudt voor een populatie van zeer verre, hoog-roodverschoven sterrenstelsels — specifiek een klasse compacte, rode objecten die recent door de James Webb Space Telescope zijn ontdekt — deze neutrino's gebruikt kunnen worden om de geschiedenis van de expansie van het universum te verkennen. Door de afstandsladder uit te breiden naar deze verre bronnen, zou het neutrino-netwerk onafhankelijke metingen kunnen leveren van de dichtheid van materie in het universum en de eigenschappen van donkere energie, de mysterieuze kracht die de versnelde expansie aandrijft. Hoewel deze toekomstige toepassing rust op de aanname dat deze verre objecten dezelfde regels volgen als nabijgelegen sterrenstelsels, is het potentieel om deze fundamentele kosmologische parameters te testen met een nieuw type kosmische boodschapper een belangrijke stap voorwaarts.

Het bereiken van deze resultaten zal nauwe samenwerking vereisen tussen de neutrino- en röntgen-gemeenschappen. De nauwkeurigheid van de afstandmetingen hangt sterk af van het kennen van de exacte röntgenhelderheid van een aantal sleutelsterrenstelsels ("anchor galaxies"). Het verbeteren van de modellen die verklaren hoe gas röntgenstraling absorbeert in deze sterrenstelsels, en het toewijzen van meer tijd aan telescopen om deze te observeren, zal even belangrijk zijn als het bouwen van betere neutrino-detectoren. De weg naar een duidelijker begrip van de expansie van het universum gaat niet alleen over het vangen van meer deeltjes; het gaat om het verfijnen van de gehele keten van observatie, van de absorptie van licht in verre sterrenstelsels tot de detectie van spookachtige deeltjes op aarde. Naarmate het wereldwijde netwerk in het komende decennium operationeel wordt, belooft het neutrino's te transformeren van zeldzame curiositeiten naar een robuust, onafhankelijk instrument voor het in kaart brengen van het kosmos.