Запропоновано новий метод уточнення константи Хаббла за допомогою гравітаційних хвиль

Група міжнародних вчених запропонувала простий і новий метод, щоб звести точність вимірювань постійної Хаббла до 2% за допомогою одного спостереження за парою нейтронних зірок, що зливаються.

Про це розповідає Phys.org з посиланням на Центр передового досвіду ARC з відкриття гравітаційних хвиль (OzGrav).

Всесвіт перебуває у безперервному розширенні. Через це віддалені об’єкти, такі як галактики, рухаються геть від нас. Фактично, чим далі вони знаходяться, тим швидше вони рухаються. Вчені описують це розширення за допомогою відомого числа, знаного як константа Хаббла, яке говорить нам, як швидко об'єкти у Всесвіті віддаляються від нас залежно від їх відстані до нас. Точним вимірюванням константи Хаббла ми можемо також визначити деякі найбільш фундаментальні властивості Всесвіту, включаючи його вік.

Протягом десятиліть вчені вимірювали константу Хаббла з точністю, що зростає, збираючи електромагнітні сигнали, що випромінюються у Всесвіті, але прийшли до складного результату: два найкращі поточні вимірювання дають суперечливі результати. Із 2015 року вчені намагаються вирішити цю проблему за допомогою науки про гравітаційні хвилі, що пульсують у тканині простору-часу, які рухаються зі швидкістю світла. Гравітаційні хвилі генеруються в найжорстокіших космічних подіях і надають новий канал інформації про Всесвіт. Вони випромінюються під час зіткнення двох нейтронних зірок — щільних ядер колапсованих зірок — і можуть допомогти вченим глибше зануритися у таємницю константи Хаббла.

На відміну від чорних дір, нейтронні зірки, що зливаються, виробляють як гравітаційні, так і електромагнітні хвилі, зокрема рентгенівські, радіохвилі та видиме світло. У той час як за допомогою гравітаційних хвиль можна виміряти відстань між злиттям нейтронних зірок і Землею, за допомогою електромагнітних хвиль можна виміряти, наскільки швидко вся галактика віддаляється від Землі. Це створює новий спосіб вимірювання константи Хаббла. Однак навіть за допомогою гравітаційних хвиль все одно складно виміряти відстань до злиття нейтронних зірок — частково через це поточні вимірювання константи Хаббла на основі гравітаційних хвиль мають похибку ~16%, набагато більшу, ніж поточні вимірювання з використанням інших традиційних методів.

У нещодавно опублікованій статті в "Astrophysical Journal Letters" група вчених, очолювана OzGrav та випускником Університету Монаш професором Хуаном Кальдероном Бустілло (нині співробітник Університету Сантьяго-де-Компостела, Іспанія) запропонували простий і новий метод для підвищення точності цих вимірювань до 2% за допомогою одного спостереження за парою нейтронних зірок, що зливаються.

За словами професора Кальдерона Бустілло, важко інтерпретувати, наскільки далеко відбуваються ці злиття, оскільки "на даний час ми не можемо сказати, чи знаходиться бінар дуже далеко і повернутий до Землі, чи він набагато ближчий, із Землею на його орбітальній площині". Щоб визначитися між цими двома сценаріями, команда запропонувала вивчити вторинні, набагато слабкіші компоненти гравітаційно-хвильових сигналів, що випускаються злиттями нейтронних зірок, відомі як вищі тональності.

"Так само, як оркестр грає на різних інструментах, злиття нейтронних зірок випромінює гравітаційні хвилі у різних тональностях", - пояснює професор Кальдерон Бустілло. "Коли нейтронні зірки, що зливаються, повернуті до вас, ви почуєте лише найгучніший музичний прилад. Однак, якщо ви знаходитесь близько до орбітальної площини злиття, ви повинні почути також вторинні. Це дозволяє нам визначити нахил злиття нейтронних зірок та краще виміряти відстань."

Новини за подібною темою:

		Що таке темна енергія? Розповіли в НАСА
		В нашій галактиці знайдено таємничий об′єкт, який може бути найлегшою чорною дірою, або найважчою нейтронною зорею
		Отримано нові докази наявності ядер з кваркової матерії в масивних нейтронних зорях

Однак метод не є абсолютно новим: "Ми знаємо, що це добре працює у випадку зі злиттями дуже масивних чорних дір, оскільки наші поточні детектори можуть реєструвати момент злиття, коли вищі тональності є найбільш помітними. Але у випадку нейтронних зірок, тон сигналу злиття настільки високий, що наші детектори не можуть його записати. Ми можемо реєструвати лише більш ранні орбіти", - говорить професор Кальдерон Бустілло.

Майбутні детектори гравітаційних хвиль, як пропонований австралійський проект NEMO, зможуть отримати доступ до фактичної стадії злиття нейтронних зірок. "Коли дві нейтронні зірки зливаються, ядерна фізика, що управляє їхньою речовиною, може спричинити дуже насичені сигнали, які, якщо їх виявити, можуть дозволити нам точно дізнатися де знаходиться Земля у відношенні до орбітальної площини злиття", - говорить співавтор та головний дослідник OzGrav д-р Пол Ласкі з Університету Монаш. Доктор Ласкі також є одним із провідних учасників проекту NEMO. "Такий детектор, як NEMO, може виявляти ці насичені сигнали", - додає він.

У своєму дослідженні команда провела комп'ютерні моделювання злиття нейтронних зірок, які дозволяєть виявити вплив ядерної фізики зірок на гравітаційні хвилі. Вивчаючи ці моделювання, команда визначила, що такий детектор, як NEMO, зможе вимірювати константу Хаббла з точністю до 2%.

Співавтор дослідження професор Тім Дітріх з Потсдамського університету каже: "Ми виявили, що дрібні деталі, що описують поведінку нейтронів всередині зірки, виробляють тонкі сигнатури в гравітаційних хвилях, які можуть значно допомогти визначити швидкість розширення Всесвіту. Захопливо спостерігати, як ефекти на найменшому ядерному масштабі дозволяють зробити висновок про те, що відбувається в найбільшому з можливих космологічних".

Самсон Леонг, студент бакалавріату Китайського університету в Гонконгу та співавтор дослідження вказує, що "однією з найбільш захопливих речей нашого результату є те, що ми досягли такого значного покращення, розглядаючи досить консервативний сценарій. Хоча NEMO справді буде чутливий до випромінювання злиттів нейтронних зірок, більш розвинуті детектори, такі як Телескоп Ейнштейна або Космічний дослідник, будуть ще більш чутливими, що дозволить нам виміряти розширення Всесвіту з ще кращою точністю!"

Одне з найвидатніших наслідків цього дослідження полягає в тому, що воно могло б визначити, чи Всесвіт рівномірно розширюється у просторі, як на даний момент передбачається. "Попередні методи досягнення такого рівня точності покладаються на поєднання багатьох спостережень, припускаючи, що константа Хаббла однакова в усіх напрямках та протягом історії Всесвіту", - говорить Кальдерон Бустілло. "У нашому випадку кожна окрема подія дала б дуже точну оцінку "власної константи Хаббла", що дозволить нам перевірити, чи це насправді константа, чи вона змінюється в просторі та часі".

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• розширення Всесвіту
• гравітаційна хвиля
• Нейтронні зорі