Насколько быстро расширяется Вселенная?
Ученые до сих пор не совсем уверены, но группа астрофизиков из Принстона использовала слияние нейтронных звезд, обнаруженное в 2017 году, чтобы получить более точное значение этой цифры, известной как постоянная Хаббла. Их работа опубликована в текущем выпуске журнала Nature Astronomy.
«Постоянная Хаббла - одна из самых фундаментальных частей информации, которая описывает состояние Вселенной в прошлом, настоящем и будущем», - сказал Кента Хотокезака, Лайман Спитцер-младший. Постдокторский научный сотрудник Департамента астрофизических наук Принстона. «Итак, мы хотели бы знать, какова его стоимость».
В настоящее время два наиболее успешных метода оценки постоянной Хаббла основаны на наблюдениях либо за космическим микроволновым фоном, либо за звездами, разлетающимися на куски в далекой Вселенной.
Но эти цифры расходятся: измерения взрывающихся звезд - сверхновых типа Ia - предполагают, что Вселенная расширяется быстрее, чем это предсказывают наблюдения Планка за космическим микроволновым фоном.
«Значит, либо одна из них неверна, либо лежащие в их основе физические модели неверны», - сказал Хотокэдзака. «Мы хотели бы знать, что на самом деле происходит во Вселенной, поэтому нам нужна третья, независимая проверка».
Он и его коллеги - постдокторский научный сотрудник NASA Sagan в Принстоне Кенто Масуда, Оре Готлиб и Эхуд Накар из Тель-Авивского университета в Израиле, Самая Ниссанке из Амстердамского университета, Грегг Халлинан и Кунал Мули из Калифорнийского технологического института, и Адам Деллер из Технологического университета Суинберна в Австралии - нашли эту независимую проверку, используя слияние двух нейтронных звезд.
Слияния нейтронных звезд - феноменально энергичные события, в которых две массивные звезды вращаются вокруг друг друга сотни раз в секунду, прежде чем слиться в необычайном столкновении, которое выбрасывает всплеск гравитационных волн и огромный взрыв материала. В случае слияния нейтронных звезд, которое было обнаружено 17 августа 2017 года, две звезды - каждая размером с Манхэттен и почти в два раза больше солнечной - двигались со значительной долей скорости света, прежде чем они столкнулся.
Всплеск гравитационной волны от слияния нейтронных звезд образует характерный узор, известный как «стандартная сирена». Основываясь на форме сигнала гравитационной волны, астрофизики могут рассчитать, насколько сильными должны были быть гравитационные волны. Затем они могут сравнить это с измеренной силой сигнала, чтобы определить, на каком расстоянии произошло слияние.
Но есть одна загвоздка - это работает только в том случае, если они знают, как сливающиеся звезды были ориентированы относительно земных телескопов. Данные о гравитационных волнах не могут различить слияния, которые были рядом и с ребра, на расстоянии и лицом к лицу, или что-то среднее между ними.
Чтобы разделить эти возможности, исследователи использовали радио «кино» сверхвысокого разрешения с изображением огненного шара материала, оставшегося после слияния нейтронных звезд. Чтобы снять фильм, они объединили данные радиотелескопов, разбросанных по всему миру.
«Разрешение сделанных нами радиоизображений было настолько высоким, что если бы это была оптическая камера, она могла бы видеть отдельные волоски на чьей-то голове на расстоянии 3 миль», - сказал Деллер.
«Сравнивая незначительные изменения в местоположении и форме этой далекой пули из радиоизлучающего газа с несколькими моделями, включая модель, разработанную на суперкомпьютерах, мы смогли определить ориентацию сливающихся нейтронных звезд», - сказал Накар..
Используя это, они подсчитали, как далеко находятся сливающиеся нейтронные звезды, а затем, сравнив это с тем, как быстро их родительская галактика удаляется от нашей, они смогли измерить постоянную Хаббла.
После того как слияние нейтронных звезд в 2017 году (GW170817) было зарегистрировано почти всеми астрономическими приборами на планете, астрофизики подсчитали, что значение постоянной Хаббла составляет от 66 до 90 километров в секунду на мегапарсек. Используя жесткие ограничения на ориентацию столкновения, опубликованные в прошлом году Мули и несколькими теми же соавторами, включая Хотокезаку, нынешняя группа сотрудников смогла еще больше снизить эту оценку до 65,3-75,6 км/с. /Mpc.
Хотя эта точность "достаточно хороша", сказал Хотокэдзака, она все еще недостаточно хороша, чтобы отличить модели Планка от моделей типа Ia. Он и его коллеги подсчитали, что для получения такого уровня точности им потребуются данные еще о 15 столкновениях, таких как GW170817 - с его полезным изобилием данных вверх и вниз по всему электромагнитному спектру - или от 50 до 100 столкновений, которые обнаруживаются только с помощью гравитационных волн..
«Это первый случай, когда астрономы смогли измерить постоянную Хаббла, используя совместный анализ сигналов гравитационных волн и радиоизображений», - сказал Хотокезака. «Примечательно, что только одно событие слияния позволяет нам измерить постоянную Хаббла с высокой точностью - и этот подход не опирается ни на космологическую модель (Планк), ни на лестницу космических расстояний (тип Ia)."
"Измерение постоянной Хаббла по сверхсветовому движению джета в GW170817" К. Хотокезаки, Э. Накара, О. Готтлиба, С. Ниссане, К. Масуда, Г. Халлинана, К. П. Мули и А. Т. Деллер появляется в текущем выпуске журнала Nature Astronomy (DOI: 10.1038/s41550-019-0820-1.) Исследование выполнено при поддержке Принстонского университета, Израильского научного фонда, Нидерландской организации научных исследований, Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства, Национальный научный фонд (AST-1654815) и Австралийский исследовательский совет (FT150100415).