L'astronomia delle onde gravitazionali fornisce un nuovo modo unico per studiare la storia dell'espansione dell'Universo. Il 17 agosto 2017, le collaborazioni LIGO e Virgo hanno rilevato per la prima volta le onde gravitazionali da una coppia di scale di neutroni che si fondono. Il segnale dell'onda gravitazionale è stato accompagnato da una serie di controparti identificate con i telescopi elettromagnetici.

Questa scoperta multi-messaggero ha permesso agli astronomi di misurare direttamente la costante di Hubble, un'unità di misura che ci dice quanto velocemente si sta espandendo l'Universo. Un recente studio dell'ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) guidato dai ricercatori Zhiqiang You e Xingjiang Zhu (Monash University), ha studiato un modo alternativo di fare cosmologia con le osservazioni delle onde gravitazionali.

Rispetto alle fusioni di stelle di neutroni, le fusioni di buchi neri sono fonti molto più abbondanti di onde gravitazionali. Considerando che finora sono state rilevate solo due fusioni di stelle di neutroni, Le collaborazioni LIGO e Virgo hanno pubblicato 10 eventi di fusione di buchi neri binari e sono stati segnalati dozzine di altri candidati.

Sfortunatamente, nessuna emissione elettromagnetica è prevista dalle fusioni di buchi neri. I modelli teorici delle supernove, potenti e luminose esplosioni stellari, suggeriscono che c'è una lacuna nelle masse dei buchi neri circa 45-60 volte la massa del nostro Sole. Alcune prove inconcludenti che supportano questo divario di massa sono state trovate nelle osservazioni fatte nelle prime due serie di osservazione di LIGO e Virgo. La nuova ricerca OzGrav mostra che questa caratteristica unica nello spettro di massa del buco nero può aiutare a determinare la storia dell'espansione del nostro Universo usando solo i dati delle onde gravitazionali.

OzGrav Ph.D. lo studente e primo autore Zhiqiang You afferma:"Il nostro lavoro ha studiato la prospettiva con rivelatori di onde gravitazionali di terza generazione, che ci permetterà di vedere ogni fusione binaria di buchi neri nell'Universo".

A parte la costante di Hubble, ci sono altri fattori che possono influenzare la distribuzione delle masse dei buchi neri. Per esempio, gli scienziati sono ancora incerti sulla posizione esatta del gap di massa del buco nero e su come il numero di fusioni di buchi neri si evolva nel corso della storia cosmica.

Il nuovo studio dimostra che è possibile misurare simultaneamente le masse dei buchi neri insieme alla costante di Hubble. Si è scoperto che un rivelatore di terza generazione come l'Einstein Telescope o il Cosmic Explorer dovrebbe misurare la costante di Hubble a meglio dell'uno per cento entro un anno di funzionamento. Inoltre, con una sola settimana di osservazione, lo studio ha rivelato che è possibile distinguere la cosmologia standard energia oscura-materia oscura con le sue semplici alternative.