Вселенная расширяется; у нас есть доказательства этого около века. Но то, как быстро небесные объекты удаляются друг от друга, все еще остается предметом споров.
Нелегко измерить скорость, с которой объекты удаляются друг от друга на огромные расстояния. С момента открытия космического расширения его скорость измерялась и вновь измерялась с возрастающей точностью, при этом некоторые из последних значений колеблются от 67,4 до 76,5 километров в секунду на мегапарсек, что связывает скорость удаления (в километрах в секунду) с расстояние (в мегапарсеках).
Расхождение между различными измерениями космического расширения называется «напряжением Хаббла». Некоторые называют это кризисом в космологии. Но для астрофизика-теоретика Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Теджасви Венумадхава Нереллы и его коллег из Института фундаментальных исследований Тата в Бангалоре, Индия, и Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Пуне, Индия, это захватывающее время.
С момента первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году детекторы были значительно улучшены и готовы дать множество сигналов в ближайшие годы. Нерелла и его коллеги придумали способ использовать эти сигналы для измерения расширения Вселенной и, возможно, помочь решить спор раз и навсегда. «Главная научная цель будущих детекторов — предоставить исчерпывающий каталог событий гравитационных волн, и это будет совершенно новое использование замечательного набора данных», — сказал Нерелла, соавтор статьи, опубликованной в Physical Review Letters .
Измерения скорости космического расширения сводятся к скорости и расстоянию. Астрономы используют два метода измерения расстояний: первый начинается с объектов с известной длиной («стандартные линейки») и смотрит, насколько большими они кажутся на небе. Эти «объекты» являются особенностями космического фонового излучения или распределения галактик во Вселенной.
Второй класс методов начинается с объектов известной светимости («стандартные свечи») и измеряет их расстояние от Земли, используя их видимую яркость. Эти расстояния связаны с расстояниями до более дальних ярких объектов и так далее, что создает цепочку схем измерения, которую часто называют «космической лестницей расстояний». Кстати, сами гравитационные волны также могут помочь в измерении космического расширения, поскольку энергия, выделяемая при столкновении нейтронных звезд или черных дыр, может быть использована для оценки расстояния до этих объектов.
Метод, который предлагают Нерелла и его соавторы, относится ко второму классу, но использует гравитационное линзирование . Это явление возникает, когда массивные объекты искажают пространство-время и изгибают волны всех видов, которые проходят рядом с объектами. В редких случаях линзирование может создавать несколько копий одного и того же сигнала гравитационных волн, которые достигают Земли в разное время — по словам исследователей, задержки между сигналами для множества отображаемых событий можно использовать для расчета скорости расширения Вселенной.
«Мы очень хорошо понимаем, насколько чувствительны детекторы гравитационных волн, и нет никаких астрофизических источников путаницы, поэтому мы можем правильно объяснить, что попадает в наш каталог событий», — сказал Нерелла. «Новый метод имеет источники ошибок, которые дополняют источники ошибок существующих методов, что делает его хорошим дискриминатором».
Источниками этих сигналов будут бинарные черные дыры : системы из двух черных дыр, которые вращаются вокруг друг друга и в конечном итоге сливаются, высвобождая огромное количество энергии в виде гравитационных волн. Мы еще не обнаружили сильно линзированные примеры этих сигналов, но ожидается, что следующее поколение наземных детекторов будет иметь необходимый уровень чувствительности.
«Мы ожидаем первое наблюдение линзированных гравитационных волн в ближайшие несколько лет», — сказал соавтор исследования Парамесваран Аджит. Кроме того, эти будущие детекторы должны быть в состоянии видеть дальше в космос и обнаруживать более слабые сигналы.
Авторы ожидают, что эти передовые детекторы начнут поиск сливающихся черных дыр в следующем десятилетии. Они ожидают записи сигналов от нескольких миллионов пар черных дыр, небольшая часть (около 10 000) из которых будет появляться несколько раз в одном и том же детекторе из-за гравитационного линзирования. Распределение задержек между этими повторными появлениями кодирует скорость расширения Хаббла.
По словам ведущего автора Сувика Яны, в отличие от других методов измерения, этот метод не зависит от знания точного местоположения или расстояний до этих двойных черных дыр . Единственное требование состоит в том, чтобы точно идентифицировать достаточно большое количество этих линзированных сигналов. Исследователи добавляют, что наблюдения линзированных гравитационных волн могут даже дать ключ к разгадке других космологических вопросов, таких как природа невидимой темной материи, которая составляет большую часть энергетического содержания Вселенной.
Теги: гравитация
