Научному сообществу уже около столетия известно, что наша Вселенная находится в состоянии непрерывного расширения. В знак признания заслуг первооткрывателей этот процесс характеризуется постоянной Хаббла — Леметра (чаще именуемой просто постоянной Хаббла). На сегодняшний день астрофизики опираются на два фундаментальных подхода для вычисления скорости этого расширения: анализ реликтового излучения (CMB) и метод «космической лестницы расстояний». В первом случае исследуется красное смещение фонового излучения, сохранившегося со времен ранней Вселенной, во втором — измеряется параллакс и красное смещение далеких объектов, таких как цефеиды и сверхновые типа Ia, выполняющие роль «стандартных свеч».
Фундаментальная сложность заключается в том, что полученные данные существенно расходятся, создавая так называемую «хаббловскую напряженность». Этот диссонанс считается одной из наиболее интригующих и сложных загадок современной космологии. Тем не менее, появляются инновационные стратегии, способные нивелировать это противоречие и внести коррективы в Стандартную модель. В свежей научной работе международная группа исследователей из Иллинойсского и Чикагского университетов представила оригинальный метод, базирующийся на регистрации гравитационных волн — едва уловимых колебаний самой ткани пространства-времени.
Проект курировал Брайс Казинс, исследователь из Института гравитации и космоса (IGC) при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне. В состав научной группы вошли его коллеги по IGC, а также специалисты из Института космологической физики имени Кавли и Института имени Энрико Ферми. Результаты их изысканий под заголовком «Stochastic Siren: Astrophysical gravitational-wave background measurements of the Hubble constant» («Стохастическая сирена: астрофизические измерения постоянной Хаббла через гравитационно-волновой фон») были опубликованы в середине января в авторитетном издании Physical Review Letters.
Для преодоления «хаббловской напряженности» предлагались самые разные концепции: от влияния ранней темной энергии и специфических взаимодействий темной материи с нейтрино до гипотез об изменчивой природе темной энергии. В последние годы в качестве мощного инструмента выступила гравитационно-волновая астрономия, предложившая независимый способ оценки космической экспансии. Гравитационные волны, существование которых было теоретически обосновано Эйнштейном в рамках общей теории относительности, представляют собой пульсацию пространства-времени, возникающую при столкновении таких массивных объектов, как черные дыры или нейтронные звезды.
Прямое обнаружение этих волн произошло в 2016 году благодаря усилиям обсерватории LIGO. С тех пор, благодаря технологической модернизации и глобальной сети детекторов LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), было зафиксировано свыше 300 подобных событий. Астрономы научились использовать эти сигналы для зондирования космологических параметров. В текущем исследовании команда предложила усовершенствованный подход, задействующий гравитационно-волновой фон (GWB) — совокупный «гул» от множества астрофизических катастроф, которые современные детекторы пока не могут выделить в качестве отдельных событий из-за ограничений чувствительности.
Методология получила название «стохастическая стандартная сирена», поскольку формирующие фон события распределены случайным образом, но подчиняются строгим статистическим законам. Даниэль Хольц, профессор Чикагского университета, отметил в официальном пресс-релизе:
Разработка принципиально нового инструмента для космологических исследований — событие исключительное. Мы продемонстрировали, что анализ фонового эха от слияний черных дыр в удаленных галактиках позволяет пролить свет на возраст и структуру Вселенной. Это перспективное направление, и мы рассчитываем, что применение наших алгоритмов к новым массивам данных поможет уточнить значение постоянной Хаббла и другие критически важные параметры мироздания.
Для верификации предложенного подхода ученые протестировали его на актуальных сведениях коллаборации LVK. Выяснилось, что само отсутствие регистрации гравитационно-волнового фона на текущем этапе уже исключает сценарии с крайне низкими темпами расширения пространства. Интегрируя свой метод с данными по одиночным столкновениям черных дыр, авторы получили более жесткие ограничения. «Анализируя индивидуальные события, мы можем экстраполировать частоту таких слияний на всю Вселенную», — поясняет Казинс. — «Опираясь на эту статистику, мы понимаем, что существует огромное количество событий, сливающихся в единый гравитационно-волновой фон».
Логика такова: если бы Вселенная расширялась медленно (что соответствует малым значениям постоянной Хаббла), то плотность слияний в расчете на объем пространства была бы выше. В этом случае сигнал GWB оказался бы достаточно интенсивным, чтобы современные детекторы зафиксировали его. Отсутствие такого сигнала служит прямым доказательством того, что скорость расширения превышает определенные минимальные пороги.
«Данный результат имеет колоссальное значение», — подчеркивает соавтор работы Николас Юнес, руководитель Иллинойсского центра ICASU. — «Получение независимых данных о постоянной Хаббла жизненно необходимо для выхода из научного тупика. Наш алгоритм предлагает инновационный путь повышения точности космологических измерений через гравитационные волны».
Учитывая плановое обновление инфраструктуры LVK, исследователи прогнозируют, что гравитационно-волновой фон будет официально обнаружен в течение ближайшего шестилетия. Это позволит довести точность определения постоянной Хаббла до беспрецедентного уровня. До этого момента концепция «стохастической сирены» будет использоваться для отсечения недостоверных значений и установления верхних пределов интенсивности фонового излучения.
«Мы закладываем фундамент для будущих открытий. По мере роста чувствительности приборов мы сможем не только ограничить, но и детально изучить гравитационно-волновой фон», — подытожил Казинс. — «Интеграция этих данных приблизит нас к окончательному разрешению хаббловского парадокса».
