Вже кілька десятиліть науковці знають, що Всесвіт розширюється. Швидкість цього розширення описує стала Габбла. Проте значення, отримані з даних раннього Всесвіту, не збігаються з вимірюваннями на основі пізнішого космічного етапу. Це протиріччя відоме як напруга Габбла і вважається однією з найважливіших відкритих проблем космології. Про це пише Phys.org.
Дивіться також Привиди Атлантики: що насправді записали вчені поблизу Бермудських островів у 1949-му
Чи допоможе новий метод розв'язати напругу Габбла?
Команда астрофізиків і фізиків із University of Illinois Urbana-Champaign та University of Chicago запропонувала новий спосіб обчислення сталої Габбла, використовуючи гравітаційні хвилі – слабкі коливання простору-часу, що виникають під час зіткнення масивних об'єктів, зокрема чорних дір.
Професор фізики Nicolás Yunes назвав результат дуже значущим і наголосив, що незалежне вимірювання сталої Габбла є критично важливим для вирішення поточної напруги. За його словами, запропонований підхід покращує точність оцінок на основі гравітаційних хвиль.
Співавтор дослідження, професор Daniel Holz, зазначив, що вчені фактично створили новий інструмент для космології. Використовуючи фоновий гул гравітаційних хвиль від злиттів чорних дір у далеких галактиках, можна отримати інформацію про вік і склад Всесвіту.
Дослідження прийняте до публікації в журналі Physical Review Letters і також доступне на сервері arXiv.
Як вимірювали раніше
Історично методи визначення швидкості розширення поділялися на два основні підходи – електромагнітні спостереження та аналіз гравітаційних хвиль.
У так званому методі стандартної свічки використовують наднові – яскраві вибухи зірок наприкінці їхнього життя. Відстань до наднової та швидкість її віддалення дозволяють обчислити темп розширення.
Як пише Scienceblog, з розвитком детекторів гравітаційних хвиль з'явився ще один підхід – метод стандартної сирени. Відстань до зіткнення чорних дір можна визначити за сигналом гравітаційної хвилі. Однак швидкість віддалення об'єкта напряму виміряти складно – для цього потрібно зафіксувати світлове випромінювання події або встановити галактику, де вона сталася.
Гравітаційні хвилі реєструє міжнародна мережа LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration, яка об'єднує понад 2000 науковців.
Якщо напругу Габбла не вдасться усунути, це може означати, що сучасні моделі раннього Всесвіту потребують змін. Серед можливих пояснень – рання темна енергія, взаємодія темної матерії з нейтрино або зміна динаміки темної енергії з часом.
У чому суть нового підходу
Дослідники запропонували використати не окремі зіткнення, а так званий гравітаційно-хвильовий фон – сумарний сигнал від великої кількості подій, які нинішні детектори ще не можуть зафіксувати індивідуально.
За словами провідного автора роботи Брайса Казінса, аналізуючи частоту зафіксованих злиттів чорних дір, можна оцінити кількість тих, що залишаються поза межами чутливості приладів. Цей сумарний невидимий сигнал і формує фон.
Команда показала, що за нижчих значень сталої Габбла об'єм простору, в якому відбуваються зіткнення, менший, а щільність подій – вища. Це означає сильніший гравітаційно-хвильовий фон. Якщо ж фон не виявлено, це дозволяє відкинути занадто низькі значення швидкості розширення.
Метод отримав назву стохастична сирена, адже події, що формують фон, відбуваються випадково.
На основі наявних даних LVK команда показала, що відсутність зафіксованого фону вже дозволяє виключити повільні сценарії розширення. Поєднання нового підходу з вимірюваннями окремих зіткнень чорних дір дало точнішу оцінку сталої Габбла та змістило її значення в область напруги Габбла.
Очікується, що протягом наступних шести років чутливість детекторів зросте настільки, що гравітаційно-хвильовий фон вдасться безпосередньо зафіксувати. Навіть до цього моменту вдосконалення верхніх меж сигналу дозволятиме поступово уточнювати оцінки сталої Габбла та краще досліджувати природу космічного розширення.