|
Катастрофические столкновения в космосе
|
|
|
|
Уступая по плотности только черным дырам, нейтронные звезды — невероятно плотные остатки звезд — являются самыми плотными объектами во Вселенной. При столкновении нейтронных звезд возникают рябь в ткани пространства и времени, которую мы можем обнаружить на Земле.
|
|
|
|
Затем мы можем использовать эту рябь для измерения одного из самых фундаментальных, но неуловимых свойств Вселенной: скорости ее расширения. Это называется постоянной Хаббла, и ученые десятилетиями изучают и обсуждают ее.
|
|
|
|
В последние годы дискуссия усилилась. Ученые, использующие разные методы, постоянно приходят к расходящимся ответам. Эта растущая проблема, известная как «натяжение Хаббла», стала одной из самых больших проблем в современной космологии.
|
|
|
|
В исследовании, опубликованном в журнале The Astrophysical Journal, мы разработали новый подход в попытке точно определить постоянную Хаббла. Для этого мы заново исследовали гравитационные волны, вызванные драматическим столкновением двух нейтронных звезд.
|
|
|
|
Мы считаем, что наши результаты представляют собой наиболее точное на сегодняшний день измерение постоянной Хаббла с использованием метода гравитационных волн.
|
|
|
|
|
|
|
Зачем нам нужна постоянная Хаббла?
|
|
|
|
Знание скорости расширения Вселенной имеет фундаментальное значение для астрономов. Оно определяет космическую шкалу для наших измерений, позволяя нам определять истинное расстояние и размер астрофизических объектов. Что еще более важно, оно говорит нам о том, как Вселенная зародилась и как она может закончиться.
|
|
|
|
Учитывая ее важность, мы пытались измерить постоянную Хаббла несколькими методами. Согласно стандартной теории эволюции Вселенной, все методы должны давать один и тот же результат.
|
|
|
|
В течение многих лет различные методы, казалось, в целом совпадали, но с большими погрешностями. За последние пару десятилетий астрономы добились больших успехов в повышении точности и уменьшении неопределенности.
|
|
|
|
Некоторые группы достигли точных измерений, используя остаточный свет от Большого взрыва. Этот метод описывается как использование «далекой Вселенной», потому что свет прошел почти весь возраст Вселенной, чтобы достичь нас.
|
|
|
|
Другие исследовательские группы использовали свет от гораздо более близких объектов, таких как пульсирующие звезды и сверхновые, для проведения собственных точных измерений. Эти измерения известны как измерения «близлежащей Вселенной».
|
|
|
|
Удивительно, но эти два набора высокоточных измерений сильно расходятся. Измерение «далекой Вселенной» дает постоянную Хаббла 67–68 км/с на мегапарсек (огромная единица астрономического расстояния: 3,26 миллиона световых лет). Результат для «близлежащей Вселенной» выше — около 72–74 км/с на мегапарсек.
|
|
|
|
В этом и заключается противоречие в отношении постоянной Хаббла.
|
|
|
|
Что это значит? Возможно, что-то пошло не так в одном или обоих методах? Несмотря на тщательный анализ, никто не обнаружил ошибок. Или же наше понимание эволюции Вселенной может не дотягивать до чего-то фундаментального, и нам нужна «новая физика», чтобы это разрешить.
|
|
|
|
Для разрешения этого космического спора крайне необходимы новые и независимые методы измерения постоянной Хаббла.
|
|
|
|
Гравитационные волны предлагают совершенно независимый способ измерения расширения Вселенной. Эти большие ряби в ткани пространства-времени возникают при столкновении чрезвычайно плотных объектов, таких как черные дыры.
|
|
|
|
Нейтронные звезды — это плотные остатки звезд, которые взорвались в сверхновые, но оказались недостаточно тяжелыми, чтобы впоследствии коллапсировать в черные дыры. Первые гравитационные волны от столкновения черных дыр были обнаружены чуть более десяти лет назад.
|
|
|
|
В 2017 году ученые вошли в историю, обнаружив гравитационные волны от столкновения нейтронных звезд, получившего обозначение GW170817. В отличие от столкновения черных дыр, оно вызвало свечение, позволившее астрономам идентифицировать близлежащую галактику, где это произошло.
|
|
|
|
Объединив эту информацию с сигналом гравитационных волн, исследователи смогли провести новое измерение постоянной Хаббла, основанное непосредственно на теории гравитации Эйнштейна. Проблема решена? К сожалению, нет. Измерение оказалось не таким точным, как те, которые составляют основу теории Хаббла.
|
|
|
|
Фактически, результаты оказались где-то посередине между конкурирующими измерениями, что вызвало всеобщее разочарование.
|
|
|
|
В течение последних девяти лет астрономы работали над повышением точности измерения GW170817. Наилучшие результаты были получены при отслеживании последствий столкновения с помощью всемирной сети радиотелескопов. Когда две нейтронные звезды столкнулись и слились, они образовали сверхбыстрый поток заряженных частиц. Телескопы выявили движение и структуру послесвечения этого потока.
|
|
|
|
Эти данные уменьшили неопределенность, но измерения оставались согласованными с обеими сторонами «хаббловского противоречия».
|
|
Что мы обнаружили
|
|
|
|
В нашем новом исследовании мы обнаружили несколько способов улучшить более ранние анализы, включая более сложные модели, улучшенные статистические методы и тщательный учет ключевых источников неопределенности.
|
|
|
|
Проведя более детальный повторный анализ чрезвычайно точных телескопических наблюдений последствий слияния, мы обнаружили, что модели, обычно используемые в более ранних исследованиях, с трудом соответствуют данным.
|
|
|
|
Мы считаем, что это позволило получить наиболее точное на сегодняшний день измерение постоянной Хаббла для GW170817: 61–70 км/с на мегапарсек.
|
|
|
|
Интересно, что наш результат согласуется с измерениями из далекой Вселенной точнее, чем с измерениями из ближней Вселенной — несмотря на то, что наш метод также опирается на ближнюю Вселенную.
|
|
|
|
Это говорит о том, что, возможно, в нашем понимании Вселенной нет ничего неправильного. Вместо этого, расхождение может возникать из-за тонких проблем калибровки, влияющих на другие методы, основанные на данных из ближней Вселенной.
|
|
|
|
Наш результат все еще в четыре раза менее точен, чем ведущие измерения из ближней Вселенной. Нам потребуется обнаружить больше столкновений нейтронных звезд, чтобы окончательно разрешить расхождение в измерении постоянной Хаббла с помощью гравитационных волн. Такие события редки, поэтому это может занять некоторое время — но пока наше исследование дает важную новую подсказку в решении одной из самых больших проблем астрономии.
|
|
|
|
Источник
|
