|
Новый метод измерения скорости расширения Вселенной
|
|
|
|
Уже несколько десятилетий мы знаем, что Вселенная расширяется. Ученые используют множество методов для измерения современной скорости расширения Вселенной, известной как постоянная Хаббла. Эти методы внутренне согласованы и основаны на одной и той же физике, поэтому все наблюдаемые значения постоянной Хаббла должны совпадать. Но данные, полученные из наборов данных о ранней Вселенной, расходятся с данными, полученными из наборов данных о поздней Вселенной. Эта проблема известна как "напряженность Хаббла" и считается одним из наиболее важных открытых вопросов в космологии.
|
|
|
|
Теперь команда астрофизиков, космологов и физиков из инженерного колледжа Грейнджер Иллинойского университета в Урбане-Шампейне и Чикагского университета разработала новый способ вычисления постоянной Хаббла с использованием гравитационных волн — крошечных пульсаций в ткани пространства-времени. Исследователям удалось повысить точность предыдущих гравитационно-волновых методов измерения постоянной Хаббла. Поскольку в будущем наши возможности по наблюдению гравитационных волн улучшатся, этот новый метод может быть использован для еще более точных измерений постоянной Хаббла, что приблизит ученых к разрешению проблемы напряженности Хаббла.
|
|
|
|
Профессор физики из Иллинойса Николас Юнес (Nicolas Yunes) сказал: "Этот результат очень важен — важно получить независимое измерение постоянной Хаббла, чтобы определить текущее напряжение Хаббла. Наш метод - это инновационный способ повысить точность вычислений постоянной Хаббла с использованием гравитационных волн". Юнес является директором-основателем Иллинойского центра перспективных исследований Вселенной (ICASU) в кампусе Урбана.
|
|
|
|
|
|
|
Профессор физики, астрономии и астрофизики UChicago и соавтор нового исследования Дэниел Хольц комментирует: "Не каждый день вы сталкиваетесь с совершенно новым инструментом для космологии. Мы показываем, что, используя фоновый шум гравитационных волн от слияния черных дыр в далеких галактиках, мы можем узнать о возрасте и составе Вселенной. Это захватывающее и совершенно новое направление, и мы с нетерпением ждем возможности применить наши методы к будущим наборам данных, чтобы помочь определить постоянную Хаббла, а также другие ключевые космологические величины".
|
|
|
|
В дополнение к Юнесу и Хольцу в команду входят аспирант-физик из Иллинойса Брайс Казинс, научный сотрудник NSF и ведущий автор нового исследования; аспирант-физик из Иллинойса Кристен Шумахер, научный сотрудник NSF; научный сотрудник докторантуры по физике из Иллинойса Ка-вай Адриан Чанг; и исследователи из Чикагского университета. Колм Тэлбот и Томас Каллистер, аспиранты Института космологической физики Кавли. Статья принята к публикации в журнале Physical Review Letters и будет опубликована в номере от 11 марта. Полный текст статьи доступен на сервере препринтов arXiv.
|
|
Предыдущие измерения постоянной Хаббла
|
|
|
|
С начала 20-го века различные методы, которые использовались для измерения скорости расширения Вселенной, разделились на два основных подхода: методы, использующие электромагнитные наблюдения, и методы, использующие данные о гравитационных волнах. В стандартном методе candle ученые используют известные свойства сверхновых — ярких взрывов умирающих звезд: можно легко вычислить как расстояние до Земли, с которой происходили эти события, так и скорость, с которой они удалялись. Ученые могут использовать эти две части информации для измерения скорости расширения Вселенной.
|
|
|
|
Совсем недавно обнаружение гравитационных волн позволило разработать новые методы измерения постоянной Хаббла. Гравитационные волны генерируются в результате столкновений компактных астрофизических объектов, таких как черные дыры. Эти пространственно-временные колебания аналогичны концентрическим волнам, которые распространяются по поверхности пруда после того, как в воду брошен камень. Гравитационные волны распространяются со скоростью света и в конечном итоге могут достичь детекторов на Земле. Глобальная сеть, регистрирующая гравитационные волны, управляется сотрудничеством LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), насчитывающим более 2000 участников.
|
|
|
|
Использование гравитационных волн для вычисления постоянной Хаббла аналогично электромагнитному методу, использующему сверхновые, и расстояния до столкновений с черными дырами можно легко определить с помощью стандартного метода siren. Однако скорость рецессии — скорость, с которой точка столкновения удаляется от Земли из—за расширения Вселенной, - не может быть определена напрямую. Чтобы вычислить постоянную Хаббла с помощью этого метода, астрономы должны либо идентифицировать свет, испускаемый слиянием, либо найти галактику, в которой оно произошло.
|
|
|
|
В идеале эти различные методы позволили бы получить согласованные значения постоянной Хаббла, но это не так. Если напряженность Хаббла не может быть устранена, это может рассказать нам что-то новое о ранней Вселенной. Все возможные решения проблемы "напряженности Хаббла" включают изменение теории энергетического состава или поведения ранней Вселенной, что объяснило бы различия в измеренных скоростях расширения. Эти предлагаемые решения включают наличие ранней темной энергии, предполагаемой силы, которая заставляет Вселенную расширяться с ускоряющейся скоростью; или взаимодействия между темной материей, невидимой глазу формой материи, которая составляет большую часть вещества во Вселенной, и нейтрино, элементарными частицами, которые взаимодействуют посредством гравитации; или эволюционирующая динамика темной энергии.
|
|
Новый гравитационно-волновой метод измерения постоянной Хаббла
|
|
|
|
В текущем исследовании Юнес, Казинс и их коллеги предлагают инновационный метод измерения постоянной Хаббла, который использует астрофизические столкновения, для обнаружения которых сеть LVK еще недостаточно чувствительна, и которые известны как фон гравитационных волн.
|
|
|
|
"Поскольку мы наблюдаем столкновения отдельных черных дыр, мы можем определить частоту этих столкновений, происходящих по всей Вселенной. Основываясь на этих показателях, мы ожидаем, что будет гораздо больше событий, которые мы не сможем наблюдать, что называется гравитационно-волновым фоном", - объясняет Казинс.
|
|
|
|
Команда ученых демонстрирует, что при более низких значениях постоянной Хаббла общий объем пространства, в пределах которого происходят столкновения, меньше, поэтому плотность столкновений объектов выше. Это увеличило бы силу гравитационно-волнового фонового сигнала, поэтому отсутствие обнаружения фона исключает более низкое значение постоянной Хаббла.
|
|
|
|
Исследователи назвали этот новый метод методом стохастической сирены, отметив, что столкновения, составляющие гравитационно-волновой фон, происходят стохастически.
|
|
|
|
Команда применила свой метод стохастической сирены к текущим данным коллаборации LVK. В качестве доказательства принципа они обнаружили, что отсутствие обнаружения гравитационно-волнового фона может свидетельствовать о медленных темпах расширения Вселенной. Затем они объединили метод стохастической сирены с измерениями постоянной Хаббла по результатам столкновений отдельных черных дыр, чтобы получить более точное измерение скорости расширения. Это демонстрирует, что новый гравитационно-волновой метод команды является жизнеспособным и сдвигает измеренное значение постоянной Хаббла в область напряжений Хаббла.
|
|
|
|
По мере повышения чувствительности гравитационно-волнового детектора метод команды может быть использован для дальнейшего улучшения измерений постоянной Хаббла. Ожидается, что гравитационно-волновой фон будет обнаружен в течение следующих шести лет. До этого момента метод стохастической сирены будет ограничивать постепенно повышающиеся значения постоянной Хаббла по мере улучшения верхних пределов фона, обеспечивая еще одно измерение напряженности Хаббла даже без полного обнаружения.
|
|
|
|
"Это должно проложить путь к применению этого метода в будущем, поскольку мы продолжаем повышать чувствительность, лучше ограничивать фон гравитационных волн и, возможно, даже обнаруживать его", - говорит Казинс. "Включив эту информацию, мы ожидаем получить лучшие космологические результаты и приблизиться к разрешению проблемы Хаббла".
|
|
|
|
Источник
|
