Pull to refresh

Стандартные сирены Вселенной

Reading time 4 min
Views 8K
Original author: Sean Carroll
Все совершенно справедливо обрадовались самому новому из открытий в области гравитационных волн. Обсерватория LIGO, к которой недавно присоединился её европейский партнёр VIRGO, до этого наблюдала гравитационные волны сливающихся чёрных дыр. Что очень круто, но и выглядит довольно одиноко — чёрные дыры чёрные, поэтому у них мы можем наблюдать только гравитационные волны, и мало что ещё. Поскольку текущие наши обсерватории по обнаружению гравиволн не очень хорошо справляются с определением расположения источника на небе, мы вообще не могли даже сказать, в какой именно галактике, к примеру, произошло зафиксированное событие.

Но всё изменилось после запуска эры астрономии, способной обнаруживать сразу гравитационное и электромагнитное излучение из одного источника. Обнаруженное событие было слиянием двух нейтронных звёзд, а не чёрных дыр, и вся эта материя, сходящаяся вместе в гигантском столкновении, залила небо сиянием множества длин волн одновременно.


Только взгляните на все эти разные обсерватории, все эти длины волн электромагнитного излучения! Радио, инфракрасный, оптический, ультрафиолетовый, рентгеновский, гамма-диапазон — это полный спектр с астрономической точки зрения.

Из этого события произрастёт множество передовых научных достижений — см., к примеру, эту работу. Некоторые люди весьма взбудоражены тем фактом, что это событие породило огромное количество золота, в несколько раз превышающее Землю по массе. Но это мой блог, поэтому я буду освещать аспект этого события, имеющий отношение ко мне: использование «стандартных сирен» для измерения расширения Вселенной.

Мы уже неплохо справляемся с измерениями расширения Вселенной при помощи шкалы расстояний в астрономии. В ней расстояния измеряются постепенно, шаг за шагом, сначала через определение расстояний до ближайших звёзд, затем через переход к более удалённым скоплениям, и так далее. Работает он хорошо, но, естественно, подвержен накоплению ошибок в процессе. Новый тип наблюдений гравитационных волн даёт нам нечто иное, позволяя перепрыгнуть через всю эту шкалу расстояний и получить независимое измерение расстояния до космологических объектов.

Одновременное наблюдение гравитационных и электромагнитных волн — критически важная часть идеи. Вы пытаетесь сравнить две вещи: расстояние до объекта и видимую скорость, с которой он удаляется от вас. Обычно со скоростью всё просто: вы измеряете красное смещение света, что легко сделать, имея на руках электромагнитный спектр объекта. Но имея лишь гравитационные волны, этого сделать нельзя — в спектре недостаточно структуры для измерения красного смещения. Поэтому взрыв нейтронных звёзд был так важен для нас; в случае с GW170817 мы впервые смогли определить точное красное смещение удалённого источника гравитационных волн.

Измерение расстояний — сложный момент, и тут гравитационные волны предлагают нам новую технику. Обычная общепринятая стратегия — определять «стандартные свечи», то есть, объекты, о собственной яркости которых вы можете делать обоснованные выводы. Сравнив её с наблюдаемой яркостью, вы можете рассчитать расстояние. К примеру, для открытия ускоренного расширения Вселенной астрономы использовали сверхновые типа Ia.

Гравитационные волны не предоставляют стандартных свечей — у каждого из объектов будет своя внутренняя гравитационная «яркость» (количество излучаемой энергии). Но изучая то, как именно эволюционирует источник света — характерную линейно-частотную модуляцию гравитационных волн двух объектов, быстро сближающихся по спирали — можно подсчитать их общую яркость. Вот ЛЧМ для GW170817, сравниваемый с другими открытыми нами источниками — гораздо больше данных, почти целая минута!



И вот у нас есть расстояние и красное смещение безо всякой шкалы расстояний! Это важно по очень многим причинам. Независимый способ измерения космических расстояний, к примеру, позволит нам измерять свойства тёмной материи. Вы также могли слышать о существовании различий между разными способами измерения константы Хаббла, что означает, что либо кто-то делает небольшую ошибку, либо мы как-то очень сильно ошибаемся в наших взглядах на Вселенную. Получение независимого способа проверки расчётов поможет нам разобраться в этом. Только из единственного события мы уже можем сделать вывод, что константа Хаббла равна 70 км/с/Мпк, хотя и с довольно большой погрешностью (+12, -8 км/с/Мпк). Но точность будет увеличиваться при сборе дополнительных данных.

А вот и моя крохотная роль в этой истории. Идея использования источников гравитационных волн в качестве стандартных сирен была высказана Бернардом Шутцем ещё в 1986 году. Но с тех пор её серьёзно переработали, особенно мои друзья Дэниел Холц и Скотт Хьюз. Об этой идее Дэниел рассказывал мне много лет назад, и они со Скоттом писали одну из самых первых работ по теме. Я немедленно сказал: «Вы просто обязаны назвать эти штуки „стандартными сиренами“. Так и родилось полезное обозначение.

К несчастью, мой коллега по Калтеху, Стерл Финни, одновременно со мной предложил такое же название, как указывается в работе в секциях с благодарностями. Но это ничего; когда вклад настолько мал, его и разделить не жалко.

А вот заслуги физиков и астрономов, сумевших осуществить это наблюдение, и многих других, внёсших свой вклад в теоретическое понимание вопроса, действительно весомы. Поздравляю всех упорно трудившихся, открывших новый способ изучения Вселенной.

Шон Майкл Кэрролл — американский космолог, специализирующийся на тёмной энергии и общей теории относительности.
Tags:
Hubs:
If this publication inspired you and you want to support the author, do not hesitate to click on the button
+11
Comments 11
Comments Comments 11

Articles