Гравитационные волны помогут точно измерить скорость расширения Вселенной
Научную статью с соответствующими расчётами опубликовали в издании Physical Review Letters Сальваторе Витале (Salvatore Vitale) из Массачусетского технологического института и Син-Юй Чэнь (Hsin-Yu Chen) из Гарвардского университета.
Напомним, что постоянная Хаббла определяет, с какой скоростью объект, находящийся на данном расстоянии, удаляется от нас из-за расширения Вселенной. Это важнейший параметр, определяющий прошлое и будущее нашего мира. Ничего удивительного, что астрономы хотят изучить его как можно точнее.
Чтобы измерить константу Хаббла, нужно знать скорость движения объекта и расстояние до него. Скорость можно определить по спектру излучения, в этом помогает красное смещение. О проблеме определения расстояний в астрофизике "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) уже рассказывали. Для этого есть разные методы, но на больших дистанциях работает лишь один: использование стандартных свеч. Это объекты, для которых астрономам известна излучаемая энергия. Измерив их яркость, наблюдаемую земными телескопами, можно определить расстояние до них. В качестве стандартных свечей используются особый тип переменных звёзд (цефеиды) и некоторые виды сверхновых.
Альтернативный способ измерения постоянной Хаббла связан с неоднородностями реликтового излучения. Теория даёт разные картины их распределения в зависимости от значения этой константы. Поэтому, тщательно измерив характеристики реликтового фона, можно определить вожделенную величину.
Оба способа уже применялись астрофизиками. На данный момент наиболее точное определение постоянной Хаббла с помощью стандартных свечей выполнено по наблюдениям одноимённого телескопа. Что касается реликтового фона, тут константа определена благодаря орбитальной обсерватории Planck.
Проблема в том, что два полученных значения не сходятся друг с другом. И отличие между ними гораздо больше, чем заявленные погрешности измерения. Видимо, в случае как минимум одного из этих методов действуют некие неучтённые факторы.
"Вот где в игру вступает LIGO (детектор гравитационных волн – прим. ред.)", – говорит Витале.
Гравитационный сигнал даёт независимую оценку расстояния до источника, не требующую стандартных свечей.
"Гравитационные волны обеспечивают очень простой и лёгкий способ измерения расстояний их источников, – рассказывает Витале. – То, что мы обнаруживаем с LIGO, является прямым маркером расстояния до источника, без какого-либо дополнительного анализа".
Напомним, что гравитационные всплески, регистрирующиеся земными детекторами, происходят при столкновениях чёрных дыр или нейтронных звёзд. На сегодняшний день зафиксировано меньше десяти событий, из которых все, кроме одного, были связаны с чёрными дырами. 17 августа 2017 года был зафиксирован первый и пока единственный в истории астрономии импульс гравитационного излучения от столкновения нейтронных звёзд (GW170817). Случая, когда нейтронная звезда врезалась бы в чёрную дыру, никогда ещё не наблюдалось. Тем не менее по расчётам астрономов такое иногда случается.
Важно, что два последних типа событий порождают ещё и вспышки электромагнитного излучения, в том числе и видимого света. Это значит, что можно получить спектр и, следовательно, измерить скорость движения объекта. Зная расстояние до него, учёные могут вычислить константу Хаббла.
Эта работа уже была проделана для GW170817, однако постоянную удалось определить лишь с погрешностью в 14%. Это гораздо больше, чем разница между результатами "Хаббла" и "Планка". Так что третейского судьи из GW170817 не получилось.
Дело в том, что именно до системы из двух нейтронных звёзд труднее всего измерить расстояние, наблюдая гравитационные волны. Неопределённость связана с геометрией системы в момент столкновения и с вопросом, из какой именно её точки испущены принятые нами волны.
С другой стороны, пара из чёрной дыры и нейтронной звезды должна давать гораздо более точную оценку расстояния. Это связано с влиянием вращения чёрной дыры вокруг собственной оси на орбитальные характеристики системы. Оно поможет точнее определить, откуда именно были испущены волны. Кроме того, столкновение такого дуэта должно быть заметно на большем расстоянии, чем для двух нейтронных звёзд, потому что чёрная дыра тяжелее и гравитационные волны мощнее.
Ложка дёгтя в том, что системы "чёрная дыра + нейтронная звезда", скорее всего, встречаются в космосе значительно реже, чем пары нейтронных звёзд. А неопределённость в расстоянии до вторых, в принципе, можно будет компенсировать массовыми наблюдениями, когда детекторы достигнут достаточной чувствительности.
Вопрос в том, что даст лучший результат: редкие наблюдения столкновений в системах "чёрная дыра + нейтронная звезда", дающих точные оценки расстояния, или более многочисленные слияния двух нейтронных звёзд?
Витале и Чэнь произвели расчёты и пришли к однозначному выводу. Даже если на 50 дуэтов нейтронных звёзд приходится одна пара "чёрная дыра + нейтронная звезда", определение константы Хаббла с помощью вторых не уступит по точности ему же посредством первых. А если "разнородные" пары не столь редки, то они попросту обходят дуэты нейтронных звёзд по точности измерений.
"LIGO снова начнёт принимать данные в январе 2019 года, и он станет намного более чувствительным, что означает, что мы сможем видеть более далёкие объекты. Поэтому LIGO должен увидеть как минимум одну двойную систему "чёрная дыра + нейтронная звезда" <…>, что поможет устранить существующую напряжённость с измерением постоянной Хаббла, надеюсь, в ближайшие несколько лет", – делится Витале оптимистичными прогнозами.
Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как самые крупномасштабные структуры во Вселенной помогут определить ускорение, с которым она расширяется. Также мы говорили, как можно использовать гравитационные волны для поиска новых измерений и кротовых нор.