Можуть гравітаційні хвилі розкрити, наскільки швидко розширюється наш Всесвіт?

З самого моменту своєї появи 13,8 мільярдів років тому Всесвіт продовжує розширюватися, розкидаючи сотні мільярдів галактик і зірок як родзинки в швидко початок тесті. Астрономи направляли телескопи на деякі зірки і інші космічні джерела, щоб виміряти їх віддаленість від Землі і швидкість видалення — два параметри, які необхідні для розрахунку постійної Хаббла, одиниці виміру, яка описує швидкість розширення Всесвіту.

Але на сьогоднішній день найбільш точні спроби оцінити постійну Хаббла давали дуже розкидані значення і не дозволяли зробити остаточний висновок про те, як швидко зростає Всесвіт. Ця інформація, на думку вчених, повинна пролити світло на походження Всесвіту і на її долю: чи буде космос розширюватися нескінченно або якось стиснеться?

І ось, вчені з Массачусетського технологічного інституту і Гарвардського університету запропонували більш точний і незалежний спосіб виміряти постійну Хаббла, використовуючи гравітаційні хвилі, що випускаються відносно рідкісними системами: бінарною системою чорна діра — нейтронна зірка, енергійної парою закручених по спіралі чорною дірою і нейтронної зіркою. По мірі того, як ці об'єкти рухаються в танці, вони створюють просторово-часові струшують хвилі і спалах світла, коли відбувається фінальна сутичка.

У роботі, опублікованій 12 липня в Physical Review Letters, вчені повідомили, що спалах світла дозволить вченим оцінити швидкість системи, тобто швидкість її видалення від Землі. Випускаються гравітаційні хвилі, якщо зловити їх на Землі, повинні забезпечити незалежне і точне вимірювання відстані до системи. Незважаючи на те, що подвійні системи чорних дір і нейтронних зірок неймовірно рідкісні, вчені підрахували, що виявлення навіть кількох з них дозволить зробити найточнішу на сьогоднішній день оцінку постійної Хаббла і швидкості розширення Всесвіту.

«Бінарні системи чорних дір і нейтронних зірок — дуже складні системи, про які ми дуже мало знаємо», говорить Сальваторе Вітале, доцент фізики MIT і провідний автор статті. «Якщо ми знайдемо хоч одну, призом буде наш радикальний прорив у розумінні Всесвіту».

Співавтором Вітале є Хсин-Чен Юй з Гарварду.

Конкуруючі постійні

Нещодавно було проведено два незалежних вимірювання постійної Хаббла, одна з використанням космічного телескопа Хаббла NASA, а інша з використанням супутника «Планк» Європейського космічного агентства. Вимір «Хаббла» базувалося на спостереженнях зірки, відомої як змінна-цефеїд, а також на спостереженнях наднових. Обидва цих об'єкта вважаються «стандартними свічками» за передбачуваність у зміні яскравості, за якою вчені оцінюють відстань до зірки і її швидкість.

Інший тип оцінки базується на спостереженнях флуктуацій космічного мікрохвильового фону — електромагнітного випромінювання, яке залишилося після Великого Вибуху, коли Всесвіт була ще в зародковому стані. Хоча спостереження обох зондів надзвичайно точні, їх оцінки постійної Хаббла сильно розходяться.

«І ось тут у гру вступає LIGO», говорить Вітале.

LIGO, або ж лазерно-интерферометрическая гравітаційно-хвильова обсерваторія, шукає гравітаційні хвилі — брижі на тканині простору-часу, яка народжується внаслідок астрофізичних катаклізмів.

«Гравітаційні хвилі забезпечують дуже простий і легкий спосіб вимірювання відстаней до їх джерел», говорить Вітале. «Що ми знайшли з LIGO — це прямий відбиток відстані до джерела, без якого-небудь додаткового аналізу».

У 2017 році вчені отримали свій перший шанс оцінити постійну Хаббла від джерела гравітаційної хвилі, коли LIGO і її італійський аналог Virgo виявили пару стикаються нейтронних зірок вперше в історії. Це зіткнення вивільнило величезна кількість гравітаційних хвиль, які вчені виміряли, щоб визначити відстань від Землі до системи. Злиття також испустило спалах світла, яку астрономам вдалося проаналізувати за допомогою наземних і космічних телескопів, щоб визначити швидкість систему.

Одержавши обидва вимірювання, вчені розрахували нове значення постійної Хаббла. Тим не менш, оцінка прийшла з відносно великою невизначеністю 14%, набагато більш невизначеною, ніж значення, розраховані з використанням «Хаббла» і «Планка».

Вітале говорить, що велика частина невизначеності виникає з того факту, що інтерпретувати відстань від бінарної системи до Землі досить важко, використовуючи гравітаційні хвилі, створені цією системою.

«Ми вимірюємо відстань, дивлячись на те, наскільки «гучного» виявиться гравітаційна хвиля, тобто наскільки чистими будуть наші дані щодо неї», говорить Вітале. «Якщо все чітко, ви бачите, що вона гучна, і визначаєте відстань. Але це вірно лише частково для подвійних систем».

Справа в тому, що ці системи, породжують закручений диск енергії по мірі розвитку танцю двох нейтронних зірок, випромінюють гравітаційні хвилі нерівномірно. Більшість гравітаційних хвиль вистрілює з центру диска, в той час як набагато менша їх частина виходить з країв. Якщо вчені засікають гучний сигнал гравітаційної хвилі, це може вказувати на один з двох сценаріїв: виявлені хвилі народжуються по краях системи, яка дуже близька до Землі, або хвилі виходять з центру набагато більш далекій системи.

«У випадку з подвійнимисистемами зірок дуже складно розрізнити ці дві ситуації», говорить Вітале.

Нова хвиля

В 2014 році, ще до того, як LIGO виявила перші гравітаційні хвилі, Вітале і його колеги спостерігали, що бінарна система із чорної діри і нейтронної зірки, може дати більш точне вимірювання відстані в порівнянні з бінарними нейтронними зірками. Команда вивчала, наскільки точно можна виміряти обертання чорної діри, за умови, що ці об'єкти обертаються навколо своєї осі, як Земля, тільки швидше.

Дослідники змоделювали різні системи з чорними дірами, включаючи системи чорна діра — нейтронна зірка і подвійні системи нейтронних зірок. По ходу справи вдалося виявити, що відстань до систем чорна діра — нейтронна зірка вдається визначати точніше, ніж до нейтронних зірок. Вітале каже, що це пов'язано з обертанням чорної діри навколо нейтронної зірки, тому що воно допомагає краще визначити, звідки в системі виходять гравітаційні хвилі.

«З-за більш точного вимірювання відстані я подумав, що подвійні системи чорна діра — нейтронна зірка можуть бути більш підходящим орієнтиром для вимірювання постійної Хаббла», говорить Вітале. «З тих пір багато чого сталося з LIGO і були відкриті гравітаційні хвилі, тому все це відійшло на задній план».

Нещодавно Вітале повернувся до свого первісного спостереження.

«досі люди воліли подвійні нейтронні зірки як спосіб вимірювання постійної Хаббла за допомогою гравітаційних хвиль», говорить Вітале. «Ми показали, що є ще один тип джерела гравітаційної хвилі, який раніше не використовувався повною мірою: чорні діри і нейтронні зірки, закручені в танці. LIGO почне збирати дані знову в січні 2019 і стане набагато чутливіші, а значить ми зможемо побачити більш далекі об'єкти. Тому LIGO зможе побачити хоча б одну систему з чорної діри і нейтронної зірки, а краще всі двадцять п'ять, і це допоможе вирішити існуючу напруженість у вимірюванні постійної Хаббла, сподіваюся, у найближчі кілька років».