С самого момента своего появления 13,8 миллиарда лет назад Вселенная продолжает расширяться, разбрасывая сотни миллиардов галактик и звезд как изюм в быстро поднимающемся тесте. Астрономы направляли телескопы на некоторые звезды и другие космические источники, чтобы измерить их удаленность от Земли и скорость удаления — два параметра, которые необходимы для расчета постоянной Хаббла, единицы измерения, которая описывает скорость расширения Вселенной.
Но на сегодняшний день самые точные попытки оценить постоянную Хаббла давали весьма разбросанные значения и не позволяли сделать окончательный вывод о том, как быстро растет Вселенная. Эта информация, по мнению ученых, должна пролить свет на происхождение Вселенной и на ее судьбу: будет ли космос расширяться бесконечно или однажды сожмется?
И вот, ученые из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета предложили более точный и независимый способ измерить постоянную Хаббла, используя гравитационные волны, испускаемые относительно редкими системами: бинарной системой черная дыра — нейтронная звезда, энергичной парой закрученных по спирали черной дырой и нейтронной звездой. По мере того, как эти объекты движутся в танце, они создают пространственно-временные сотрясающие волны и вспышку света, когда происходит финальное столкновение.
В работе, опубликованной 12 июля в Physical Review Letters, ученые сообщили, что вспышка света позволит ученым оценить скорость системы, то есть скорость ее удаления от Земли. Испускаемые гравитационные волны, если поймать их на Земле, должны обеспечить независимое и точное измерение расстояния до системы. Несмотря на то, что двойные системы черных дыр и нейтронных звезд невероятно редкие, ученые подсчитали, что обнаружение даже нескольких из них позволит сделать самую точную на сегодняшний день оценку постоянной Хаббла и скорости расширения Вселенной.
«Бинарные системы черных дыр и нейтронных звезд — очень сложные системы, о которых мы очень мало знаем», говорит Сальваторе Витале, доцент физики MIT и ведущий автор статьи. «Если мы найдем хоть одну, призом будет наш радикальный прорыв в понимании Вселенной».
Соавтором Витале является Хсин-Юй Чен из Гарварда.
Конкурирующие постоянные
Недавно было проведено два независимых измерения постоянной Хаббла, одно с использованием космического телескопа Хаббла NASA, а другое с использованием спутника «Планк» Европейского космического агентства. Измерение «Хаббла» базировалось на наблюдениях звезды, известной как переменная-цефеид, а также на наблюдениях сверхновых. Оба этих объекта считаются «стандартными свечами» за предсказуемость в изменении яркости, по которой ученые оценивают расстояние до звезды и ее скорость.
Другой тип оценки базируется на наблюдениях флуктуаций космического микроволнового фона — электромагнитного излучения, которое осталось после Большого Взрыва, когда Вселенная была еще в зачаточном состоянии. Хотя наблюдения обеих зондов чрезвычайно точные, их оценки постоянной Хаббла сильно расходятся.
«И вот здесь в игру вступает LIGO», говорит Витале.
LIGO, или же лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, ищет гравитационные волны — рябь на ткани пространства-времени, которая рождается вследствие астрофизических катаклизмов.
«Гравитационные волны обеспечивают очень простой и легкий способ измерения расстояний до их источников», говорит Витале. «Что мы нашли с LIGO — это прямой отпечаток расстояния до источника, без какого-либо дополнительного анализа».
В 2017 году ученые получили свой первый шанс оценить постоянную Хаббла от источника гравитационной волны, когда LIGO и ее итальянский аналог Virgo обнаружили пару сталкивающихся нейтронных звезд впервые в истории. Это столкновение высвободило огромное количество гравитационных волн, которые ученые измерили, чтобы определить дистанцию от Земли до системы. Слияние также испустило вспышку света, которую астрономам удалось проанализировать при помощи наземных и космических телескопов, чтобы определить скорость систему.
Получив оба измерения, ученые рассчитали новое значение постоянной Хаббла. Тем не менее, оценка пришла с относительно большой неопределенностью в 14%, гораздо более неопределенной, чем значения, рассчитанные с использованием «Хаббла» и «Планка».
Витале говорит, что большая часть неопределенности проистекает из того факта, что интерпретировать расстояние от бинарной системы до Земли достаточно трудно, используя гравитационные волны, созданные этой системой.
«Мы измеряем расстояние, глядя на то, насколько «громкой» окажется гравитационная волна, то есть насколько чистыми будут наши данные по ней», говорит Витале. «Если все четко, вы видите, что она громкая, и определяете расстояние. Но это верно лишь частично для двойных систем».
Дело в том, что эти системы, порождающие закрученный диск энергии по мере развития танца двух нейтронных звезд, излучают гравитационные волны неравномерно. Большинство гравитационных волн выстреливает из центра диска, в то время как намного меньшая их часть выходит из краев. Если ученые засекают «громкий» сигнал гравитационной волны, это может указывать на один из двух сценариев: обнаруженные волны рождаются по краям системы, которая очень близка к Земле, либо волны исходят из центра гораздо более далекой системы.
«В случае с двойными системами звезд очень сложно различить эти две ситуации», говорит Витале.
Новая волна
В 2014 году, еще до того, как LIGO обнаружила первые гравитационные волны, Витале и его коллеги наблюдали, что бинарная система из черной дыры и нейтронной звезды, может дать более точное измерение расстояния по сравнению с бинарными нейтронными звездами. Команда изучала, насколько точно можно измерить вращение черной дыры, при условии, что эти объекты вращаются вокруг своей оси, как Земля, только быстрее.
Исследователи смоделировали различные системы с черными дырами, включая системы черная дыра — нейтронная звезда и двойные системы нейтронных звезд. По ходу дела удалось обнаружить, что расстояние до систем черная дыра — нейтронная звезда удается определять точнее, чем до нейтронных звезд. Витале говорит, что это связано с вращением черной дыры вокруг нейтронной звезды, потому что оно помогает лучше определить, откуда в системе исходят гравитационные волны.
«Из-за более точного измерения расстояния я подумал, что двойные системы черная дыра — нейтронная звезда могут быть более подходящим ориентиром для измерения постоянной Хаббла», говорит Витале. «С тех пор многое произошло с LIGO и были открыты гравитационные волны, поэтому все это ушло на задний план».
Недавно Витале вернулся к своему первоначальному наблюдению.
«До сих пор люди предпочитали двойные нейтронные звезды как способ измерения постоянной Хаббла при помощи гравитационных волн», говорит Витале. «Мы показали, что есть еще один тип источника гравитационной волны, который прежде не использовался в полной мере: черные дыры и нейтронные звезды, закрученные в танце. LIGO начнет собирать данные снова в январе 2019 и станет намного чувствительнее, а значит мы сможем увидеть более далекие объекты. Поэтому LIGO сможет увидеть хотя бы одну систему из черной дыры и нейтронной звезды, а лучше все двадцать пять, и это поможет разрешить существующую напряженность в измерении постоянной Хаббла, надеюсь, в ближайшие несколько лет».
