Предложен новый метод уточнения константы Хаббла с помощью гравитационных волн

Группа международных ученых предложила простой и новый метод, чтобы свести точность измерений постоянной Хаббла до 2% с помощью одного наблюдения за парой сливающихся нейтронных звезд.

Об этом рассказывает Phys.org со ссылкой на Центр передового опыта ARC с открытия гравитационных волн (OzGrav).

Вселенная находится в непрерывном расширении. Поэтому отдаленные объекты, такие как галактики, движутся прочь от нас. Фактически, чем дальше они находятся, тем быстрее они движутся. Ученые описывают это расширение с помощью известного числа, называемого константой Хаббла, которое говорит нам, как быстро объекты во Вселенной удаляются от нас в зависимости от их расстояния до нас. Точным измерением константы Хаббла мы можем также определить некоторые наиболее фундаментальные свойства Вселенной, включая ее возраст.

В течение десятилетий ученые измеряли константу Хаббла с растущей точностью, собирая электромагнитные сигналы, излучаемые во Вселенной, но пришли к сложному результату: два лучших текущих измерения дают противоречивые результаты. С 2015 года ученые пытаются решить эту проблему с помощью науки о гравитационных волнах, пульсирующих в ткани пространства-времени, которые движутся со скоростью света. Гравитационные волны генерируются в жестоких космических событиях и предоставляют новый канал информации о Вселенной. Они излучаются при столкновении двух нейтронных звезд — плотных ядер коллапсировавших звезд — и могут помочь ученым глубже окунуться в тайну константы Хаббла.

В отличие от черных дыр, сливающиеся нейтронные звезды производят как гравитационные, так и электромагнитные волны, в частности рентгеновские, радиоволны и видимый свет. В то время как с помощью гравитационных волн можно измерить расстояние между слиянием нейтронных звезд и Земли, с помощью электромагнитных волн можно измерить, насколько быстро вся галактика удаляется от Земли. Это создает новый способ измерения константы Хаббла. Однако даже с помощью гравитационных волн все равно сложно измерить расстояние до слияния нейтронных звезд — частично из-за этого текущие измерения константы Хаббла на основе гравитационных волн имеют погрешность ~16%, что гораздо больше, чем текущие измерения с использованием других традиционных методов.

В недавно опубликованной статье в "Astrophysical Journal Letters" группа ученых, возглавляемая OzGrav и выпускником Университета Монаш профессором Хуаном Кальдероном Бустилло (ныне сотрудник Университета Сантьяго-де-Компостела, Испания) предложили простой и новый метод для повышения точности этих измерений до 2% с помощью одного наблюдения за парой сливающихся нейтронных звезд.

По словам профессора Кальдерона Бустилло, трудно интерпретировать, насколько далеко происходят эти слияния, поскольку "в настоящее время мы не можем сказать, находится ли бинар очень далеко и повернут к Земле, или он гораздо ближе, с Землей на его орбитальной плоскости". Чтобы определиться между этими двумя сценариями, команда предложила изучить вторичные, гораздо более слабые компоненты гравитационно-волновых сигналов, выпускаемых слияниями нейтронных звезд, известные как высшие тональности.

"Так же, как оркестр играет на разных инструментах, слияния нейтронных звезд излучают гравитационные волны в разных тональностях", - объясняет профессор Кальдерон Бустилло. "Когда сливающиеся нейтронные звезды повернуты к вам, вы услышите только громкий музыкальный прибор. Однако, если вы находитесь близко к орбитальной плоскости слияния, вы должны услышать также вторичные. Это позволяет нам определить наклон слияния нейтронных звезд и лучше измерить расстояние".

Однако метод не является абсолютно новым: "Мы знаем, что это хорошо работает в случае со слияниями очень массивных черных дыр, поскольку наши текущие детекторы могут регистрировать момент слияния, когда высшие тональности является наиболее заметными. Но в случае нейтронных звезд, тон сигнала слияния столь высок, что наши детекторы не могут его записать. Мы можем регистрировать только более ранние орбиты", - говорит профессор Кальдерон Бустилло.

Будущие детекторы гравитационных волн, как предлагаемый австралийский проект NEMO, смогут получить доступ к фактической стадии слияния нейтронных звезд. "Когда две нейтронные звезды сливаются, ядерная физика, управляющая их веществом, может привести к очень насыщенным сигналам, которые, если их обнаружить, могут позволить нам точно узнать где находится Земля по отношению к орбитальной плоскости слияния", - говорит соавтор и главный исследователь OzGrav д-р Пол Ласки из Университета Монаш. Доктор Ласки также является одним из ведущих участников проекта NEMO. "Такой детектор, как NEMO, может проявлять эти насыщенные сигналы", - добавляет он.

В своем исследовании команда провела компьютерные моделирования слияния нейтронных звезд, которые позволяют выявить влияние ядерной физики звезд на гравитационные волны. Изучая эти моделирования, команда определила, что такой детектор, как NEMO, сможет измерять константу Хаббла с точностью до 2%.

Соавтор исследования профессор Тим Дитрих из Потсдамского университета говорит: "Мы обнаружили, что мелкие детали, описывающие поведение нейтронов внутри звезды, производят тонкие сигнатуры в гравитационных волнах, которые могут значительно помочь определить скорость расширения Вселенной. Увлекательно наблюдать, как эффекты на самом маленьком ядерном масштабе позволяют сделать вывод о том, что происходит в самом большом из возможных космологических".

Самсон Леонг, студент бакалавриата Китайского университета в Гонконге и соавтор исследования указывает, что "одной из самых захватывающих вещей нашего результата является то, что мы достигли такого значительного улучшения, рассматривая достаточно консервативный сценарий. Хотя NEMO действительно будет чувствителен к излучению слияний нейтронных звезд, более развитые детекторы, такие как Телескоп Эйнштейна или Космический исследователь, будут еще более чувствительными, что позволит нам измерить расширение Вселенной с еще лучшей точностью!"

Одно из величайших последствий этого исследования заключается в том, что оно могло бы определить, равномерно ли расширяется Вселенная в пространстве, как сейчас предполагается. "Предварительные методы достижения такого уровня точности полагаются на сочетание многих наблюдений, предполагая, что константа Хаббла одинакова во всех направлениях и на протяжении истории Вселенной", - говорит Кальдерон Бустилло. "В нашем случае каждое отдельное событие дало бы очень точную оценку «собственной константы Хаббла», что позволит нам проверить, действительно ли это константа, или она меняется в пространстве и времени".

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.