Предложен новый метод уточнения постоянной Хаббла

Вселенная непрерывно расширяется. Из-за этого далекие объекты удаляются от нас. Фактически, чем дальше они находятся, тем быстрее движутся. Ученые описывают это расширение через известное число, постоянную Хаббла, которая сообщает, насколько быстро объекты во Вселенной удаляются от нас в зависимости от их расстояния до нас. Путем точного измерения постоянной Хаббла можно определить некоторые из самых фундаментальных свойств Вселенной, включая ее возраст.

На протяжении десятилетий ученые измеряли постоянную Хаббла с возрастающей точностью, собирая электромагнитные сигналы, излучаемые по всей Вселенной, но приходя к непростому результату: два лучших на данный момент измерения дают противоречивые результаты. С 2015 года ученые пытались решить эту проблему с помощью науки о гравитационных волнах - волнах в ткани пространства-времени, которые движутся со скоростью света. Гравитационные волны генерируются во время самых жестоких космических событий и обеспечивают новый канал информации о Вселенной. Они испускаются во время столкновения двух нейтронных звезд (плотных ядер коллапсирующих звезд) и могут помочь ученым глубже разобраться в тайне постоянной Хаббла.

В отличие от черных дыр, сливающиеся нейтронные звезды производят как гравитационные, так и электромагнитные волны, такие как рентгеновские лучи, радиоволны и видимый свет. Гравитационные волны могут измерять расстояние между слиянием нейтронной звезды и Землей, а электромагнитные волны насколько быстро вся их галактика удаляется от Земли. Это создает новый способ измерения постоянной Хаббла. Но даже с помощью гравитационных волн все еще сложно измерить расстояние до слияния нейтронных звезд - отчасти поэтому текущие измерения постоянной Хаббла на основе гравитационных волн имеют погрешность ~ 16%, что намного больше, чем существующие измерения с использованием других традиционных методов.

В недавно опубликованной статье в Astrophysical Journal Letters группа ученых во главе с Центром передового опыта ARC по открытию гравитационных волн (OzGrav) и выпускником Университета Монаша профессором Хуаном Кальдероном Бустильо из Физики высоких энергий Университета Сантьяго-де-Компостела, Испания, предложила простой и новый метод, позволяющий улучшить точность этих измерений до 2% с помощью одного наблюдения пары сливающихся нейтронных звезд.

По словам профессора Кальдерона Бустильо, трудно интерпретировать, как далеко происходят эти слияния, потому что «мы не можем сказать, находится ли двойная система очень далеко и обращена к Земле, или намного ближе, когда Земля находится в своей орбитальной плоскости». Чтобы выбрать между двумя сценариями, команда предложила изучить вторичные, гораздо более слабые компоненты сигналов гравитационных волн, излучаемых слияниями нейтронных звезд.

«Как люди в оркестре играют на разных инструментах, так и слияния нейтронных звезд излучают гравитационные волны разными способами», объясняет профессор Кальдерон Бустильо. «Когда сливающиеся нейтронные звезды обращены к вам, то можно услышать только самый громкий инструмент. Но если приблизиться к орбитальной плоскости слияния, тогда можно услышать и второстепенные. Это позволяет определить наклон слияния нейтронной звезды и лучше измерить расстояние».

Этот метод не полностью новый: «Мы знаем, что он хорошо работает в случае слияния очень массивных черных дыр, потому что наши современные детекторы могут регистрировать момент слияния. Но в случае нейтронных звезд шаг сигнала слияния настолько высок, что наши детекторы не могут его зарегистрировать. Мы можем регистрировать только более ранние орбиты», - говорит профессор Кальдерон Бустильо.

Будущие детекторы гравитационных волн, такие как предложенный австралийский проект NEMO, смогут получить доступ к фактической стадии слияния нейтронных звезд. «Когда две нейтронные звезды сливаются, ядерная физика, регулирующая их материю, может создать очень богатые сигналы, которые в случае обнаружения позволят точно знать, где находится Земля относительно орбитальной плоскости слияния», - говорит доктор Пол Ласки из Университета Монаша. «Такой детектор, как NEMO, сможет обнаружить эти сигналы».

В своем исследовании команда провела компьютерное моделирование слияния нейтронных звезд, которое может выявить влияние ядерной физики звезд на гравитационные волны. Изучая это моделирование, команда определила, что такой детектор, как NEMO, может измерять постоянную Хаббла с точностью до 2%.

Соавтор исследования профессор Тим Дитрих из Потсдамского университета говорит: «Мы обнаружили, что мелкие детали, описывающие поведение нейтронов внутри звезды, создают тонкие сигнатуры в гравитационных волнах, которые могут во многом помочь в определении скорости расширения Вселенной. Удивительно видеть, как эффекты в крошечном ядерном масштабе могут сделать вывод о том, что происходит в космологическом масштабе».

Одним из наиболее выдающихся выводов этого исследования является то, что оно может определить, равномерно ли расширяется Вселенная в пространстве. «Предыдущие методы для достижения такого уровня точности полагались на объединение множества наблюдений, предполагая, что постоянная Хаббла одинакова во всех направлениях и на протяжении всей истории Вселенной», - говорит Кальдерон Бустильо. «В нашем случае каждое отдельное событие даст очень точную оценку своей собственной постоянной Хаббла, что позволит проверить, действительно ли это константа или она меняется в пространстве и времени».