На протяжении десятилетий астрономы знали, что Вселенная расширяется. Чтобы определить скорость её расширения сегодня, учёные вычисляют величину, называемую постоянной Хаббла. Для её измерения используются несколько независимых методов, и поскольку они основаны на одних и тех же физических принципах, они должны давать совпадающие результаты. Однако измерения, основанные на наблюдениях ранней Вселенной, противоречат измерениям, полученным из более поздней Вселенной. Это несоответствие известно как «расхождение Хаббла» и является одной из важнейших нерешённых проблем современной космологии.
Группа астрофизиков и космологов из Инженерного колледжа Грейнджера при Иллинойском университете в Урбана-Шампейн и Чикагского университета представила новый способ расчета постоянной Хаббла с использованием гравитационных волн — крошечных рябь в пространстве-времени. Их подход повышает точность более ранних методов, основанных на гравитационных волнах. По мере повышения чувствительности детекторов этот метод может обеспечить еще более точные измерения, потенциально помогая ученым сократить разрыв в понимании причины расхождения значений постоянной Хаббла.
Профессор физики Иллинойского университета Николас Юнес сказал: «Этот результат очень важен — необходимо получить независимое измерение постоянной Хаббла, чтобы разрешить существующие противоречия, связанные с этой постоянной. Наш метод — это инновационный способ повышения точности выводов о постоянной Хаббла с использованием гравитационных волн». Юнес является директором-основателем Иллинойского центра перспективных исследований Вселенной (ICASU) в кампусе Урбаны.
Дэниел Хольц, профессор физики, астрономии и астрофизики Чикагского университета и соавтор исследования, сказал: «Не каждый день удается найти совершенно новый инструмент для космологии. Мы показываем, что, используя фоновый шум гравитационных волн от слияния черных дыр в далеких галактиках, мы можем узнать о возрасте и составе Вселенной. Это захватывающее и совершенно новое направление, и мы с нетерпением ждем возможности применить наши методы к будущим наборам данных, чтобы помочь ограничить постоянную Хаббла, а также другие ключевые космологические величины».
В исследовательскую группу также входят аспирант физического факультета Иллинойского университета Брайс Казинс, стипендиат Национального научного фонда (NSF) и ведущий автор исследования; аспирантка физического факультета Иллинойского университета Кристен Шумахер, стипендиат NSF; научный сотрудник физического факультета Иллинойского университета Ка-вай Адриан Чанг; и научные сотрудники Чикагского университета Колм Талбот и Томас Каллистер, оба стипендиаты Института космологической физики Кавли. Результаты исследования приняты к публикации в журнале Physical Review Letters и появятся в номере от 11 марта. Полная версия статьи уже доступна на arXiv.
Как учёные измеряют расширение Вселенной
Начиная с начала 1900-х годов, исследователи использовали две основные стратегии для измерения расширения Вселенной. Один подход основан на электромагнитных наблюдениях, а другой — на гравитационных волнах. Хорошо известный электромагнитный метод включает в себя «стандартные свечи», такие как сверхновые, представляющие собой мощные звездные взрывы. Поскольку астрономы понимают, насколько яркими являются эти события на самом деле, они могут рассчитать как расстояние до Земли, так и скорость их удаления. Объединение этих данных позволяет определить скорость расширения Вселенной.
В последние годы гравитационные волны открыли еще один путь. Эти волны возникают при столкновении чрезвычайно плотных объектов, таких как черные дыры. Эти волны распространяются в пространстве со скоростью света, подобно круговым волнам, которые распространяются по воде после того, как камень брошен в пруд. На Земле коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), глобальная сеть, насчитывающая более 2000 участников, регистрирует эти сигналы.
Гравитационные волны также можно использовать для оценки расстояний с помощью так называемого стандартного метода сирены. Однако определить скорость удаления источника из-за космического расширения сложнее. Для измерения этой скорости астрономам обычно необходимо обнаружить свет от слияния или идентифицировать галактику, в которой оно произошло.
В идеале все эти методы должны указывать на одну и ту же постоянную Хаббла. Вместо этого они расходятся во мнениях. Если это противоречие сохранится, это может свидетельствовать о необходимости пересмотра учеными своего понимания ранней Вселенной. Предлагаемые объяснения включают раннюю темную энергию, взаимодействие темной материи с нейтрино или изменения в поведении темной энергии с течением времени.
Новый метод исследования фонового излучения гравитационных волн
В своей последней работе Юнес, Казинс и их коллеги описывают новый способ оценки постоянной Хаббла путем изучения столкновений черных дыр, которые современные детекторы не могут зафиксировать по отдельности. Вместе эти бесчисленные слабые события создают так называемый гравитационно-волновой фон.
«Поскольку мы наблюдаем отдельные столкновения черных дыр, мы можем определить частоту этих столкновений во Вселенной. Исходя из этой частоты, мы ожидаем, что существует гораздо больше событий, которые мы не можем наблюдать, и которые называются гравитационно-волновым фоном», — объясняет Казинс.
Команда исследователей показала, что если постоянная Хаббла будет ниже, то и общий наблюдаемый объем Вселенной также будет меньше. Это означало бы, что столкновения черных дыр происходят в более плотном пространстве, что увеличивает общую интенсивность фонового гравитационно-волнового излучения. Если этот фоновый сигнал не обнаруживается на определенном уровне, это исключает более медленные темпы расширения Вселенной.
Исследователи называют свой подход методом стохастической сирены, отражающим случайный характер столкновений, которые вносят вклад в фон гравитационных волн.
Используя текущие данные LVK, команда протестировала свой метод. Даже без прямого обнаружения фонового излучения гравитационных волн им удалось исключить особенно медленные темпы расширения. Объединив метод стохастического сигнала с существующими измерениями слияний отдельных черных дыр, они получили более точную оценку постоянной Хаббла. Их результат находится в диапазоне, связанном с габбловским напряжением, что демонстрирует потенциал метода для уточнения будущих измерений.
По мере совершенствования обсерваторий, регистрирующих гравитационные волны, эта стратегия должна стать еще более эффективной. Ученые ожидают, что фоновый сигнал гравитационных волн будет обнаружен примерно через шесть лет. До тех пор все более строгие ограничения на фоновый сигнал будут продолжать сужать возможный диапазон значений постоянной Хаббла.
«Это должно проложить путь к применению этого метода в будущем, поскольку мы продолжаем повышать чувствительность, лучше ограничивать фон гравитационных волн и, возможно, даже обнаруживать его», — говорит Казинс. «Включив эту информацию, мы рассчитываем получить более точные космологические результаты и приблизиться к разрешению противоречия Хаббла».
Поддержка научных исследований и вычислительные ресурсы
В основе анализа лежали данные Иллинойского университетского кластера, управляемого Программой Иллинойских университетских кластеров в партнерстве с Национальным центром суперкомпьютерных приложений.
Финансирование осуществлялось в рамках программы стипендий для аспирантов Национального научного фонда (NSF) по грантам № DGE 21-46756 и № DGE-1746047, а также NSF по грантам PHY-2207650, PHY-2207650 и PHY2110507. Дополнительная поддержка была предоставлена Фондом Саймонса по гранту № 896696 и НАСА по гранту № 80NSSC22K0806. Поддержка также поступила от постдокторской стипендии имени Эрика и Венди Шмидт AI in Science и Института космологической физики Кавли благодаря пожертвованию Фонда Кавли и его основателя Фреда Кавли. Представленные результаты являются выводами исследователей и не обязательно отражают точку зрения финансирующих организаций.
Источник: www.sciencedaily.com
