Двадцать лет назад ученые были потрясены, осознав, что наша Вселенная не только расширяется, но и расширяется со временем быстрее.
Определение точной скорости расширения, называемой постоянной Хаббла в честь знаменитого астронома и выпускника Калифорнийского университета в Чикаго Эдвина Хаббла, оказалось на удивление трудным. С тех пор ученые использовали два метода для расчета значения, и они выдавали удручающе разные результаты. Но неожиданный захват в прошлом году гравитационных волн, исходящих от столкновения нейтронных звезд, предложил третий способ расчета постоянной Хаббла.
Это была только одна точка данных об одном столкновении, но в новой статье, опубликованной 17 октября в журнале Nature, трое ученых из Чикагского университета подсчитали, что, учитывая, как быстро исследователи увидели первое столкновение нейтронной звезды, они могли бы получить очень точное измерение постоянной Хаббла в течение пяти-десяти лет.
«Постоянная Хаббла говорит вам о размере и возрасте Вселенной; это был святой Грааль с момента зарождения космологии. Вычисление этого с помощью гравитационных волн может дать нам совершенно новый взгляд на вселенную», - говорится в исследовании. автор Дэниел Хольц, профессор физики из Калифорнийского университета в Чикаго, который стал соавтором первого такого расчета на основе открытия 2017 года. «Вопрос в том, когда это изменит правила игры в космологии?»
В 1929 году Эдвин Хаббл объявил, что, основываясь на своих наблюдениях за галактиками за пределами Млечного Пути, они, кажется, удаляются от нас - и чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Это краеугольный камень теории Большого взрыва, и он положил начало почти столетнему поиску точной скорости, с которой это происходит.
Чтобы рассчитать скорость расширения Вселенной, ученым нужны два числа. Один - расстояние до удаленного объекта; другой - насколько быстро объект удаляется от нас из-за расширения Вселенной. Если вы можете увидеть ее в телескоп, то определить вторую величину относительно легко, потому что свет, который вы видите, глядя на далекую звезду, смещается в красную сторону по мере удаления. Астрономы используют этот трюк, чтобы увидеть, как быстро движется объект, уже более века - это похоже на эффект Доплера, при котором сирена меняет тон, когда проезжает машина скорой помощи..
'Основные вопросы расчетов'
Но получить точную меру расстояния гораздо сложнее. Традиционно астрофизики использовали технику, называемую лестницей космических расстояний, в которой можно использовать яркость некоторых переменных звезд и сверхновых для построения серии сравнений, которые касаются рассматриваемого объекта.«Проблема в том, что если копнуть глубже, то на этом пути будет много шагов с множеством предположений», - сказал Хольц.
Возможно, сверхновые, используемые в качестве маркеров, не так постоянны, как предполагалось. Может быть, мы ошибочно принимаем одни виды сверхновых за другие, или в наших измерениях расстояний до ближайших звезд есть какая-то неизвестная ошибка. «Там много сложной астрофизики, которая может искажать показания разными способами», - сказал он.
Другой важный способ вычислить постоянную Хаббла - это посмотреть на космический микроволновый фон - импульс света, созданный в самом начале Вселенной, который все еще едва заметен. Хотя этот метод также полезен, он также опирается на предположения о том, как устроена Вселенная.
Удивительно то, что хотя ученые, выполняющие каждый расчет, уверены в своих результатах, они не совпадают. Один говорит, что Вселенная расширяется почти на 10 процентов быстрее, чем другой.«Сейчас это главный вопрос в космологии», - сказал первый автор исследования Синь-Ю Чен, в то время аспирант Калифорнийского университета в Чикаго, а ныне сотрудник инициативы «Черная дыра» Гарвардского университета.
Затем детекторы LIGO уловили первую рябь в ткани пространства-времени от столкновения двух звезд в прошлом году. Это потрясло не только обсерваторию, но и всю область астрономии: возможность почувствовать гравитационную волну и увидеть свет последствий столкновения с помощью телескопа дала ученым новый мощный инструмент. «Богатство было своего рода смущением», - сказал Хольц.
Гравитационные волны предлагают совершенно другой способ расчета постоянной Хаббла. Когда две массивные звезды сталкиваются друг с другом, они создают рябь в ткани пространства-времени, которую можно обнаружить на Земле. Измеряя этот сигнал, ученые могут определить массу и энергию сталкивающихся звезд. Когда они сравнивают это показание с силой гравитационных волн, они могут сделать вывод, насколько далеко оно находится.
Это измерение более чистое и содержит меньше предположений о Вселенной, что должно сделать его более точным, сказал Хольц. Вместе со Скоттом Хьюзом из Массачусетского технологического института он предложил идею провести это измерение с помощью гравитационных волн в паре с показаниями телескопа в 2005 году. Вопрос лишь в том, как часто ученые смогут зафиксировать эти события и насколько точными будут данные о них.
'Будет только интереснее'
В документе предсказывается, что как только ученые обнаружат 25 показаний столкновений нейтронных звезд, они смогут измерить расширение Вселенной с точностью до 3 процентов. При 200 показаниях это число сужается до 1 процента.
«Для меня было большим сюрпризом, когда мы приступили к моделированию», - сказал Чен. «Было ясно, что мы можем достичь точности, и мы можем достичь ее быстро».
Точное новое число для постоянной Хаббла было бы захватывающим независимо от ответа, говорят ученые. Например, одна из возможных причин несоответствия в двух других методах заключается в том, что сама природа гравитации могла измениться с течением времени. Чтение также может пролить свет на темную энергию, таинственную силу, ответственную за расширение Вселенной.
«С столкновением, которое мы видели в прошлом году, нам повезло - оно было близко от нас, поэтому его было относительно легко найти и проанализировать», - сказала Майя Фишбах, аспирантка Калифорнийского университета в Чикаго и другой автор статьи.. «Будущие обнаружения будут намного дальше, но как только мы получим телескопы следующего поколения, мы сможем найти аналоги и для этих удаленных обнаружений».
Детекторы LIGO планируют начать новый цикл наблюдений в феврале 2019 года, к ним присоединятся их итальянские коллеги из VIRGO. Благодаря обновлению чувствительность детекторов будет намного выше, что увеличит количество и расстояние астрономических событий, которые они могут улавливать.
"Здесь будет только интереснее", - сказал Хольц.
Авторы провели расчеты в Исследовательском вычислительном центре Чикагского университета.