Учёным уже около века известно, что наша Вселенная постоянно расширяется. В честь учёных, которые окончательно доказали это, данное расширение стали описывать постоянной Хаббла — Леметра (или просто постоянной Хаббла). Сегодня учёные используют два основных метода для измерения скорости расширения: реликтовое излучение (РИ) и космическую лестницу расстояний. Первый метод основан на измерении красного смещения реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, а второй — на измерении параллакса и красного смещения с помощью переменных звёзд и сверхновых (также известных как «стандартные свечи»).
Единственная проблема заключается в том, что эти два метода не согласуются друг с другом, что приводит к так называемой «хаббловской напряжённости». Эта проблема считается одной из величайших космологических загадок, стоящих сегодня перед учёными. К счастью, появляются новые методы, которые могут помочь разрешить эту «напряжённость» и уточнить Стандартную модель космологии. В недавнем исследовании группа астрофизиков, космологов и физиков из Университета Иллинойса и Чикагского университета предложила новый метод, использующий едва заметные волны ткани пространства-времени, известные как гравитационные волны (ГВ).
Исследование возглавил Брайс Казинс, аспирант-исследователь Национального научного фонда (NSF) из Института гравитации и космоса (IGC) при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне. К нему присоединились несколько коллег из IGC, а также исследователи из Института космологической физики имени Кавли и Института имени Энрико Ферми при Чикагском университете. Их исследование «Stochastic Siren: Astrophysical gravitational-wave background measurements of the Hubble constant» («Стохастическая сирена: астрофизические измерения постоянной Хаббла с помощью гравитационно-волнового фона») было опубликовано 16 января в журнале Physical Review Letters.
Учёные, надеющиеся разрешить «хаббловскую напряжённость», предложили несколько решений, начиная от ранней тёмной энергии и взаимодействий между тёмной материей и нейтрино до эволюционирующей динамики тёмной энергии. В последние годы открытие гравитационных волн также стало одним из способов разрешения «хаббловской напряжённости» — предоставило новый метод измерения скорости космического расширения. Первоначально предсказанные теорией общей относительности Эйнштейна, гравитационные волны представляют собой волны в ткани пространства-времени, вызванные слиянием массивных объектов (нейтронных звёзд и/или чёрных дыр).
Впервые их существование подтвердили в 2016 году учёные из Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Благодаря модернизированному оборудованию и международному сотрудничеству в рамках проекта LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) было зарегистрировано более 300 гравитационно-волновых событий. За это время астрономы нашли способы использовать эти события для изучения космологических явлений, в том числе для измерения расширения Вселенной. В ходе текущего исследования команда нашла способ улучшить эти измерения, используя гравитационно-волновой фон (GWB), который вызывается астрофизическими столкновениями, которые сеть LVK пока не способна обнаружить из-за недостаточной чувствительности.
Они называют этот метод «методом стохастической стандартной сирены», поскольку столкновения, составляющие гравитационно-волновой фон, происходят стохастически [случайным образом, но с определёнными статистическими закономерностями / прим. перев.]. Даниэль Хольц, профессор Чикагского университета и соавтор исследования, пояснил в пресс-релизе Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне:
Не каждый день придумывают совершенно новый инструмент для космологии. Мы показываем, что, используя фоновый гул гравитационных волн от слияния чёрных дыр в далёких галактиках, мы можем узнать о возрасте и составе Вселенной. Это захватывающее и совершенно новое направление, и мы с нетерпением ждём возможности применить наши методы к будущим наборам данных, чтобы помочь ограничить постоянную Хаббла, а также другие ключевые космологические величины.
В качестве проверки работоспособности метода исследователи применили его к актуальным данным коллаборации LVK. Они обнаружили, что тот факт, что нам не удалось засечь гравитационно-волновой фон, противоречит гипотезе о низких темпах космического расширения. Затем они объединили свой метод с измерениями постоянной Хаббла, основанными на наблюдениях отдельных столкновений чёрных дыр, чтобы получить более точные данные. «Поскольку мы наблюдаем отдельные столкновения чёрных дыр, мы можем определить частоту таких столкновений, происходящих во всей Вселенной, — сказал Казинс. — Исходя из этих скоростей, мы ожидаем, что существует гораздо больше событий, которые мы не можем наблюдать, и это называется гравитационно-волновым фоном».
Получается, что при малой скорости расширения Вселенной (то есть, более низких значениях постоянной Хаббла) общий объём пространства, в котором происходят слияния, оказывается меньше – иначе говоря, объекты сливались бы чаще в пересчёте на единицу объёма. Но такое поведение сделало бы сигнал гравитационно-волнового фона (GWB) настолько сильным, что мы смогли бы засечь его современными приборами. А раз сигнала нет, то и скорость расширения не может быть такой маленькой.
«Этот результат очень значим, — добавил соавтор исследования Николас Юнес, основатель и директор Иллинойсского центра передовых исследований Вселенной (ICASU). — Получение независимого измерения постоянной Хаббла крайне важно для разрешения текущего противоречия Хаббла. Наш метод — это инновационный способ повысить точность определения постоянной Хаббла с помощью гравитационных волн».
Благодаря усовершенствованной архитектуре LVK учёные полагают, что гравитационно-волновой фон, вероятно, удастся обнаружить в течение ближайших шести лет. Если и когда это произойдёт, метод команды можно будет использовать для дальнейшего уточнения измерений постоянной Хаббла. До этого момента метод стохастической сирены можно использовать для ограничения более высоких значений постоянной Хаббла, тем самым устанавливая верхние пределы для гравитационно-волнового фона и позволяя учёным изучать его до полного обнаружения.
«Это должно открыть путь для применения этого метода в будущем, по мере того как мы будем продолжать повышать чувствительность, лучше ограничивать гравитационно-волновой фон и, возможно, даже обнаруживать его, — говорит Казинс. — Включив эту информацию, мы ожидаем получить лучшие космологические результаты и приблизиться к разрешению противоречия Хаббла».
