General, Research, Technology

Чи можуть гравітаційні хвилі розкрити, наскільки швидко розширюється наш Всесвіт?

З самого моменту своєї появи 13,8 мільярдароків тому Всесвіт продовжує розширюватися, розкидаючи сотні мільярдів галактик і зірок як родзинки в швидко піднімається тесті. Астрономи направляли телескопи на деякі зірки і інші космічні джерела, щоб виміряти їх віддаленість від Землі і швидкість видалення - два параметра, які необхідні для розрахунку постійної Хаббла, одиниці виміру, яка описує швидкість розширення Всесвіту.

«Бінарні системи чорних дір і нейтронних зірок -дуже складні системи, про які ми дуже мало знаємо », говорить Сальваторе Вітале, доцент фізики MIT і провідний автор статті. «Якщо ми знайдемо хоч одну, призом буде наш радикальний прорив у розумінні Всесвіту».

Співавтором Вітале є Хсін-Юй Чен з Гарварда.

конкуруючі постійні

Нещодавно було проведено два незалежних вимірюванняпостійної Хаббла, одне з використанням космічного телескопа Хаббла NASA, а інше з використанням супутника «Планк» Європейського космічного агентства. Вимірювання «Хаббла» базувалося на спостереженнях зірки, відомої як змінна-цефеїд, а також на спостереженнях наднових. Обидва цих об'єкта вважаються «стандартними свічками» за передбачуваність в зміні яскравості, по якій вчені оцінюють відстань до зірки і її швидкість.

Інший тип оцінки базується на спостереженняхфлуктуацій космічного мікрохвильового фону - електромагнітного випромінювання, яке залишилося після Великого Вибуху, коли Всесвіт був ще в зародковому стані. Хоча спостереження обох зондів надзвичайно точні, їх оцінки постійної Хаббла сильно розходяться.

«І ось тут в гру вступає LIGO», говорить Вітале.

LIGO, або ж лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія, шукає гравітаційні хвилі - брижі на тканини простору-часу, яка народжується внаслідок астрофізичних катаклізмів.

«Гравітаційні хвилі забезпечують дуже простийі легкий спосіб вимірювання відстаней до їх джерел », говорить Вітале. «Що ми знайшли з LIGO - це прямий відбиток відстані до джерела, без будь-якого додаткового аналізу».

У 2017 році вчені отримали свій перший шансоцінити постійну Хаббла від джерела гравітаційної хвилі, коли LIGO і її італійський аналог Virgo виявили пару зіштовхуються нейтронних зірок вперше в історії. Це зіткнення вивільнило величезна кількість гравітаційних хвиль, які вчені виміряли, щоб визначити дистанцію від Землі до системи. Злиття також випустило спалах світла, яку астрономам вдалося проаналізувати за допомогою наземних і космічних телескопів, щоб визначити швидкість систему.

Отримавши обидва вимірювання, вчені розрахували новезначення постійної Хаббла. Проте, оцінка прийшла з відносно великою невизначеністю в 14%, набагато більш невизначеною, ніж значення, розраховані з використанням «Хаббла» і «Планка».

Вітале каже, що більша частинаневизначеності виникає з того факту, що інтерпретувати відстань від бінарної системи до Землі досить важко, використовуючи гравітаційні хвилі, створені цією системою.

«Ми вимірюємо відстань, дивлячись на те, наскільки«Гучного» виявиться гравітаційна хвиля, тобто наскільки чистими будуть наші дані по ній », говорить Вітале. «Якщо все чітко, ви бачите, що вона гучна, і визначаєте відстань. Але це вірно лише частково для подвійних систем ».

Справа в тому, що ці системи, які породжуютьзакручений диск енергії в міру розвитку танцю двох нейтронних зірок, випромінюють гравітаційні хвилі нерівномірно. Більшість гравітаційних хвиль вистрілює з центру диска, в той час як набагато менша їх частина виходить з країв. Якщо вчені засікає «гучний» сигнал гравітаційної хвилі, це може вказувати на один з двох сценаріїв: виявлені хвилі народжуються по краях системи, яка дуже близька до Землі, або хвилі виходять з центру набагато більш далекій системи.

«У випадку з подвійними системами зірок дуже складно розрізнити ці дві ситуації», говорить Вітале.

Нова хвиля

У 2014 році, ще до того, як LIGO виявилаперші гравітаційні хвилі, Вітале і його колеги спостерігали, що бінарна система з чорної діри і нейтронної зірки, може дати більш точне вимірювання відстані в порівнянні з бінарними нейтронними зірками. Команда вивчала, наскільки точно можна виміряти обертання чорної діри, за умови, що ці об'єкти обертаються навколо своєї осі, як Земля, тільки швидше.

Дослідники змоделювали різні системи зчорними дірами, включаючи системи чорна діра - нейтронна зірка і подвійні системи нейтронних зірок. По ходу справи вдалося виявити, що відстань до систем чорна діра - нейтронна зірка вдається визначати точніше, ніж до нейтронних зірок. Вітале каже, що це пов'язано з обертанням чорної діри навколо нейтронної зірки, тому що воно допомагає краще визначити, звідки в системі виходять гравітаційні хвилі.

«Через більш точного вимірювання відстані яподумав, що подвійні системи чорна діра - нейтронна зірка можуть бути більш підходящим орієнтиром для вимірювання постійної Хаббла », говорить Вітале. «З тих пір багато чого сталося з LIGO і були відкриті гравітаційні хвилі, тому все це пішло на задній план».

Нещодавно Вітале повернувся до свого початкового спостереження.

«До сих пір люди воліли подвійні нейтроннізірки як спосіб вимірювання постійної Хаббла за допомогою гравітаційних хвиль », говорить Вітале. «Ми показали, що є ще один тип джерела гравітаційної хвилі, який раніше не використовувався в повній мірі: чорні діри і нейтронні зірки, закручені в танці. LIGO почне збирати дані знову в січні 2019 і стане набагато чутливіші, а значить ми зможемо побачити більш далекі об'єкти. Тому LIGO зможе побачити хоча б одну систему з чорної діри і нейтронної зірки, а краще все двадцять п'ять, і це допоможе вирішити існуючу напруженість у вимірі постійної Хаббла, сподіваюся, в найближчі кілька років ».