Новое исследование предполагает, что использование гравитационных волн от столкновений далеких черных дыр может решить один из самых волнующих аспектов космологии — скорость расширения Вселенной, известную как постоянная Hubble.
Есть два стандартных способа измерения этой постоянной. Глобальный метод включает использование космического микроволнового фона (CMB) — ископаемого излучения, оставшегося от Большого взрыва, которое равномерно заполняет Вселенную — и показывает расширение Вселенной в более ранние периоды истории. В локальном масштабе сверхновые типа Ia, также известные как "стандартные свечи" из-за их равномерного выхода энергии, используются для измерения постоянной Hubble и более поздней скорости расширения Вселенной.
Разве в этой системе есть проблемы? Использование разных методов измерения постоянной Hubble дает разные результаты. Значение постоянной, обеспечиваемое стандартными свечами, намного выше, чем значение, которое дали наблюдения CMB. Похоже, тут должно быть простое решение. Один метод должен давать неточный результат, верно? Но это не так. Совершенствование этих методов не закрыло этот пробел, а, наоборот, еще больше расширило пропасть. Эта проблема стала известна как "напряжение Hubble".
Астрофизики из Чикагского университета предлагают новый метод измерения постоянной Hubble и скорости расширения Вселенной, надеясь, что это поможет устранить напряжение. Этот новый метод не использует космический микроволновый фон или сверхновые звезды, а вместо этого извлекает данные из гравитационных волн, испускаемых далекими черными дырами, когда они сталкиваются друг с другом.
Расширение Вселенной всегда интересовало физиков, особенно после того, как было обнаружено, что она не замедляется, а ускоряется. Таинственная сила, которая вызывает это ускорение, получила условное название темная энергия.
В более позднюю эпоху космической истории расширение Вселенной ускоряется. Если материя во Вселенной конечна, физики ожидали, что ее расширение в конечном итоге прекратится и Вселенная снова схлопнется. В 1998 году две независимые группы, которые использовали два набора сверхновых типа Ia, обнаружили, что Вселенная не только расширяется, но и делает это с увеличивающейся скоростью.
В более позднюю эпоху космической истории расширение Вселенной ускоряется. Если мы измерим текущую скорость расширения, используя наблюдения за более близкими объектами, такими как сверхновые звезды, то, проверяя более позднюю вселенную, мы получим постоянную Hubble, которая значительно больше, чем ее аналог, полученный из ранней вселенной и реликтового излучения. Ученые обоснованно считают, что сейчас несоотвествие между двумя измерениями теперь находится на уровне значимости, который больше нельзя игнорировать.
Чтобы понять, почему ускоряющееся расширение Вселенной так беспокоит, представьте обыденную повседневную аналогию: катание ребенка на обычных качелях на детской площадке.
По мере того, как проходит время от первоначального одиночного толчка, качание ребенка достигает более низких точек. Затем, когда качели останавливаются, они внезапно снова начинают раскачиваться без толчка, достигая все более и более высоких точек.
Это похоже на то, как Вселенная замедляется после периода раннего быстрого расширения, который мы называем "Большим взрывом", только для того, чтобы снова начать быстро расширяться и ускоряться. Это ускорение расширения предсказывает наша модель гравитации только в том случае, если есть что-то, что превосходит силу гравитации в больших масштабах и вызывает отрицательное давление. Это и есть то, что принято называть темной энергией.
Темную энергию нельзя игнорировать, потому что для поддержания ускорения расширения Вселенной на нее должно приходиться не менее 68 процентов всей материи и энергии во Вселенной. Общество озадачено результатами. Мы можем либо заявить, что методы могут быть усовершенствованы, чтобы получить более близкие значения постоянной Hubble, либо мы могли бы улучшить модели, которые мы используем для калибровки наблюдений. Есть третья возможность, которую можно рассмотреть — переменная скорость Hubble в разные эпохи Вселенной, подразумевающая, что вклад темной энергии не является постоянным, а меняется со временем. И один из способов заглянуть в прошлое — изучить гравитационные волны, вызванные далекими событиями.
Rогда черные дыры сталкиваются, они сливаются, образуя еще большую черную дыру, но эти события оказывают другое влияние на вселенную^ слияние черных дыр настолько мощное, что это событие посылает рябь сквозь саму ткань пространства-времени в виде гравитационных волн. Чувствительные и массивные лазерные интерферометры, такие как базирующаяся в США Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и итальянская версия Virgo, могут измерять эту рябь здесь, на Земле.
Точно так же, как наблюдение света от отдаленного источника показывает объекты такими, какими они были, когда свет покинул их, — так звезда, находящаяся в трех световых годах от нас, видится такой, какой она была три года назад, и так далее, — наблюдение гравитационных волн раскрывает события и объекты, которые произошли в далеком прошлом Вселенной.
В статье, опубликованной в прошлом месяце в журнале Physical Review Letters, астрофизики Даниэль Хольц и Хосе Мария Эскиага предполагают, что эти гравитационные волны от сталкивающихся черных дыр можно использовать для проверки того, была ли постоянная Hubble одинаковой в относительно младенческом возрасте Вселенной.
Преимущество этого метода заключается в том, что, хотя он зависит от нелокальных событий, исследователи предполагают, что, наблюдая черные дыры ближе к дому, космологи могут калибровать свои измерения.
Локальные черные дыры позволяют провести перепись типичных масс бинарных черных дыр. Затем вы можете оглянуться назад во времени, чтобы увидеть, имеют ли слившиеся ранее черные дыры такой же спектр. Изменения в космологической модели должны лишь сместить обнаруженные массы. Сравнивая сдвиг между обоими спектрами, в локальной вселенной и в прошлом, можно узнать, насколько расширилась Вселенная.
Это означает, что этот метод измерения скорости расширения Вселенной и определения постоянной Hubble может затем пролить свет на проблему, которая десятилетиями беспокоила исследователей, не полагаясь на непостоянные существующие методологии.
