Учёные уже почти сто лет знают, что Вселенная расширяется. Однако ответ на вопрос о том, насколько быстро небесные объекты удаляются друг от друга, до сих пор остаётся спорным.
Измерить скорость, с которой находящиеся на огромных расстояниях объекты удаляются друг от друга, — задача не из лёгких. С момента открытия космического расширения его скорость измерялась и переизмерялась с возрастающей точностью, и некоторые из последних значений варьируются от 67,4 до 76,5 километров в секунду на мегапарсек.
Расхождение между различными измерениями космического расширения называется «напряжённостью Хаббла». Некоторые называют это кризисом в космологии. Но для астрофизика-теоретика Теджасви Венумадхава Нерелла из Университета Санта-Барбары и его коллег из Института фундаментальных исследований Тата в Бангалоре, Индия, и Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Пуне, Индия, это захватывающее время.
С момента первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году детекторы были значительно усовершенствованы, и в ближайшие годы они готовы дать богатый набор данных. Нерелла и его коллеги придумали метод использования этих данных для измерения скорости расширения Вселенной. «Одна из главных научных целей будущих детекторов — создание всеобъемлющего каталога гравитационно-волновых событий, и это будет совершенно новое использование замечательного набора данных», — сказал Нерелла, соавтор статьи, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Измерения скорости космического расширения сводятся к измерению скоростей и расстояний до удалённых объектов. Астрономы используют два вида методов для измерения расстояний: первые начинают с объектов с известным размером (т.н. «стандартные линейки») и смотрят, насколько большими они видятся нам на небе. В роли таких объектов могут выступать особенности в реликтовом излучении или в распределении галактик во Вселенной.
Второй класс методов начинается с объектов известной светимости («стандартные свечи») и измеряет расстояния до них от Земли, используя их видимую яркость. Эти расстояния объединяются с расстояниями до более далёких светящихся объектов и так далее, что выстраивает цепочку схем измерений, которую часто называют «лестницей космических расстояний». Кстати, сами гравитационные волны также могут помочь в измерении космического расширения, поскольку энергия, выделяемая при столкновении нейтронных звёзд или чёрных дыр, может быть использована для оценки расстояния до этих объектов.
Метод, который предлагают Нерелла и его соавторы, относится ко второму классу, но использует гравитационное линзирование. Это явление возникает, когда массивные объекты искривляют пространство-время и изгибают всевозможные волны, проходящие рядом с объектами. В редких случаях линзирование может создавать несколько копий одного и того же сигнала гравитационных волн, которые достигают Земли в разное время – и задержки между этими сигналами можно использовать для расчёта скорости расширения Вселенной, считают исследователи.
«Мы точно знаем, насколько чувствительны детекторы гравитационных волн, и у нас не возникает никаких астрофизических источников путаницы, поэтому мы можем правильно учитывать то, что попадает в наш каталог событий», — сказал Нерелла. «У нового метода есть свои источники ошибок, дополнительные к тем источникам ошибок существующих методов, что делает его хорошим дискриминатором».
Источниками этих сигналов могут быть бинарные чёрные дыры: системы из двух чёрных дыр, которые вращаются друг вокруг друга и в конечном итоге сливаются, высвобождая огромное количество энергии в виде гравитационных волн. Мы ещё не обнаружили сильно линзированных примеров таких сигналов, но ожидается, что новое поколение наземных детекторов будет обладать необходимым уровнем чувствительности.
Авторы ожидают, что эти усовершенствованные детекторы начнут поиск сливающихся чёрных дыр в следующем десятилетии. Они предполагают зарегистрировать сигналы от нескольких миллионов пар чёрных дыр, небольшая часть которых (около 10 000) будет появляться в одном детекторе несколько раз из-за гравитационного линзирования. Из распределения задержек между этими повторными появлениями можно будет вывести скорость расширения.
По словам ведущего автора Сувика Джана, в отличие от других методов измерения, этот метод не зависит от знания точного расположения или расстояния до этих бинарных чёрных дыр. Единственным требованием является точное определение достаточно большого числа этих линзированных сигналов. Исследователи добавляют, что наблюдения за линзированными гравитационными волнами могут дать подсказки и по другим космологическим вопросам, таким как природа невидимой тёмной материи, которая составляет большую часть энергетического содержания Вселенной.
