Уже несколько десятилетий ученые знают, что Вселенная расширяется. Скорость этого расширения описывает стала Хаббла. Однако значения, полученные из данных ранней Вселенной, не совпадают с измерениями на основе более позднего космического этапа. Это противоречие известно как напряжение Хаббла и считается одной из важнейших открытых проблем космологии. Об этом пишет Phys.org.
Смотрите также Призраки Атлантики: что на самом деле записали ученые вблизи Бермудских островов в 1949-м
Поможет ли новый метод решить напряжение Хаббла?
Команда астрофизиков и физиков из University of Illinois Urbana-Champaign и University of Chicago предложила новый способ вычисления постоянной Хаббла, используя гравитационные волны – слабые колебания пространства-времени, возникающие при столкновении массивных объектов, в частности черных дыр.
Профессор физики Nicolás Yunes назвал результат очень значимым и подчеркнул, что независимое измерение постоянной Хаббла является критически важным для решения текущего напряжения. По его словам, предложенный подход улучшает точность оценок на основе гравитационных волн.
Соавтор исследования, профессор Daniel Holz, отметил, что ученые фактически создали новый инструмент для космологии. Используя фоновый гул гравитационных волн от слияний черных дыр в далеких галактиках, можно получить информацию о возрасте и составе Вселенной.
Исследование принято к публикации в журнале Physical Review Letters и также доступно на сервере arXiv.
Как измеряли раньше
Исторически методы определения скорости расширения делились на два основных подхода – электромагнитные наблюдения и анализ гравитационных волн.
В так называемом методе стандартной свечи используют сверхновые – яркие взрывы звезд в конце их жизни. Расстояние до сверхновой и скорость ее удаления позволяют вычислить темп расширения.
Как пишет Scienceblog, с развитием детекторов гравитационных волн появился еще один подход – метод стандартной сирены. Расстояние до столкновения черных дыр можно определить по сигналу гравитационной волны. Однако скорость удаления объекта напрямую измерить сложно – для этого нужно зафиксировать световое излучение события или установить галактику, где оно произошло.
Гравитационные волны регистрирует международная сеть LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration, которая объединяет более 2000 ученых.
Если напряжение Хаббла не удастся устранить, это может означать, что современные модели ранней Вселенной нуждаются в изменениях. Среди возможных объяснений – ранняя темная энергия, взаимодействие темной материи с нейтрино или изменение динамики темной энергии со временем.
В чем суть нового подхода
Исследователи предложили использовать не отдельные столкновения, а так называемый гравитационно-волновой фон – суммарный сигнал от большого количества событий, которые нынешние детекторы еще не могут зафиксировать индивидуально.
По словам ведущего автора работы Брайса Казинса, анализируя частоту зафиксированных слияний черных дыр, можно оценить количество тех, что остаются за пределами чувствительности приборов. Этот суммарный невидимый сигнал и формирует фон.
Команда показала, что при более низких значениях постоянной Хаббла объем пространства, в котором происходят столкновения, меньше, а плотность событий – выше. Это означает означает более сильный гравитационно-волновой фон. Если же фон не обнаружен, это позволяет отбросить слишком низкие значения скорости расширения.
Метод получил название стохастическая сирена, ведь события, формирующие фон, происходят случайно.
На основе имеющихся данных LVK команда показала, что отсутствие зафиксированного фона уже позволяет исключить медленные сценарии расширения. Сочетание нового подхода с измерениями отдельных столкновений черных дыр дало более точную оценку постоянной Хаббла и сместило ее значение в область напряжения Хаббла.
Ожидается, что в течение следующих шести лет чувствительность детекторов возрастет настолько, что гравитационно-волновой фон удастся непосредственно зафиксировать. Даже до этого момента совершенствование верхних границ сигнала позволит постепенно уточнять оценки постоянной Хаббла и лучше исследовать природу космического расширения.