Темные сирены могут раскрыть одну из величайших загадок космологии

В последние годы космологи столкнулись с кризисом: Вселенная расширяется, но никто не может согласиться с тем, насколько быстро она удаляется от нас.

Это потому, что разные способы измерения постоянной Хаббла, фундаментального параметра, описывающего это расширение, дали противоречивые результаты.

Но единичное удачное наблюдение так называемых темных сирен - черных дыр или нейтронных звезд, падения которых могут быть обнаружены детекторами гравитационных волн на Земле, но остаются невидимыми для обычных телескопов, - могло бы помочь разрешить это противоречие.

По мере расширения космоса галактики во Вселенной удаляются от Земли со скоростью, которая зависит от их расстояния от нас. Связь между скоростью и расстоянием называется постоянной Хаббла в честь американского астронома Эдвина Хаббла, который впервые вычислил ее значение в 1920-х годах.

Глядя на мерцающие звезды, известные как цефеиды в локальной вселенной, некоторые исследователи провели современные высокоточные измерения постоянной Хаббла. Но конкурирующий метод, основанный на реликвии света 380 000 лет после Большого взрыва, известный как космический микроволновый фон (CMB), дает совершенно другой ответ, заставляя космологов ломать голову над тем, что происходит.

"Гравитационные волны могут дать вам другое представление о постоянной Хаббла", - сказа Сохраб Борханян, физик из Университета штата Пенсильвания.

Когда массивные объекты, такие как черные дыры или нейтронные звезды, сталкиваются друг с другом, они деформируют ткань пространства-времени, посылая гравитационные волны. С 2015 года американская обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) и ее европейский аналог Дева отслеживают такие массивные аварии, которые в их детекторах звучат как маленькие колокольчики.

В зависимости от расстояния до Земли эти события будут казаться LIGO громче или тише, что позволит ученым рассчитать, как далеко они произошли. В некоторых случаях грохот этих тяжелых объектов также приводит к вспышке света, которую астрономы могут уловить в свои телескопы, кодируя информацию о том, насколько быстро они удаляются от нас.

Пока что исследователи наблюдали только одно такое событие с помощью как гравитационных волн, так и световых сигналов, пару нейтронных звезд, которые астрономы наблюдали в 2017 году как в детекторах LIGO, так и в других телескопах. Исходя из этого, физики рассчитали значение постоянной Хаббла, хотя погрешности измерения достаточно велики, чтобы перекрываться как с результатами, полученными от мерцающих звезд, так и с результатами, полученными от реликтового излучения, сказал Борханян.

Он добавил, что предыдущие исследования показали, что космологам необходимо увидеть около 50 подобных событий, которые являются довольно редкими, чтобы получить более точные вычисления постоянной Хаббла.

Темные сирены предлагают потенциально более быстрый путь. Такие аварии не связаны со вспышками света, которые содержат важную информацию о скорости. Эти события, которые невидимы, кроме как через гравитационные волны, являются наиболее распространенными сигналами, принимаемыми LIGO и другими объектами гравитационных волн.

Ожидается, что в течение следующих пяти лет детекторы LIGO получат обновления, которые позволят им распаковывать гораздо больше деталей сигналов гравитационных волн и улавливать гораздо больше событий, включая больше темных сирен. К американским и европейским объектам недавно присоединился детектор гравитационных волн Камиока (KAGRA) в Японии, а индийский детектор должен быть запущен примерно в 2024 году.

По словам Борханяна, однажды сеть сможет определить, где в небе произошел крушение темной сирены, в 400 раз лучше, чем это могут сделать ученые в настоящее время. Обладая этой информацией, астрономы могут идентифицировать галактику в том месте, где произошел взрыв, а затем определить, насколько быстро эта галактика удаляется от Земли. Не нужно будет также искать соответствующую вспышку света.

Борханян и его команда показали, что столкновения между объектами, которые являются особенно громкими, тяжелыми или неодинаковыми по массе, которые они называют золотыми темными сиренами, будут особенно богаты информацией, производя данные, которые могут точно определить падение гравитационной волны рассчитать постоянную Хаббла с высокой точностью.

"Мы можем сделать это с одним событием вместо 50", - сказал он, и, возможно, этого будет достаточно, чтобы склонить космологическое сообщество к тому или иному измерению. Борханян представит результаты своей группы на апрельском заседании Американского физического общества 18 апреля.

Поскольку темные сирены потенциально могут обеспечить такие превосходные измерения расстояний только на основе чистой физики, они "чрезвычайно уникальны, чрезвычайно чисты и привлекательны", - сказала Майя Фишбах, гравитационно-волновой астроном и член группы LIGO в Северо-Западном университете в Эванстоне, штат Иллинойс, которая была не связана с работой.

По ее словам, результаты группы позволяют предположить, что LIGO и ее коллеги по всему миру в ближайшем будущем начнут видеть гораздо больше хорошо локализованных событий. Но возможно, что другие измерения могут разрешить кризис постоянной Хаббла раньше, чем это сделают темные сирены, сказала Фишбах.

Тем не менее, Фишбах воодушевляет то, что космология гравитационных волн может в будущем ответить на другие фундаментальные вопросы, такие как природа и детали темной энергии, таинственной субстанции, приводящей к ускоренному расширению Вселенной.