Гравитационные волны помогут уточнить постоянную Хаббла

Andrew Pontzen and Fabio Governato / flickr.com

Астрофизики из Индии и Японии предложили новый способ измерения постоянной Хаббла, который основан на детектировании гравитационных волн, излучаемых при слиянии двойных систем черных дыр, и сопоставлении распределения таких событий с известным распределением галактик. По оценкам ученых, при текущей чувствительности детекторов погрешности порядка восьми процентов можно будет достичь всего за 25 детектирований гравитационных волн. Статья опубликована в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В конце 1930-х годов американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что все наблюдаемые галактики «разбегаются» в разные стороны от Земли, причем скорость удаления конкретной галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее. Сейчас этот закон называется законом Хаббла, а входящая в него постоянная — постоянной Хаббла. Измеряя по цефеидам расстояние до соседних галактик и сравнивая его с красным смещением звезд, астроном получил значение H0 ≈ 500 километров в секунду на мегапарсек. Подробнее про измерение расстояний в космосе, в том числе про метод «стандартных свечей» — цефеид — можно прочитать в нашем материале «Звезда с звездою говорит». Правда, Хаббл получил не совсем верное значение постоянной: современное, скорректированное значение примерно в семь раз меньше (H0 ≈ 70 километров в секунду на мегапарсек). Такое большое расхождение объясняется тем, что 80 лет назад астрономы некорректно рассчитывали расстояние до цефеид (поправки на поглощение тогда еще не были открыты).

Впрочем, с увеличением точности измерений постоянной Хаббла ученые столкнулись с проблемой: оказалось, что разные способы ее определения приводят к разным результатам, противоречащим друг другу. Так, например, измерение углового разрешения колебаний реликтового излучения, выполненное космической обсерваторией «Планк», дает значения H0 = 67,6 ± 0,6 километров в секунду на мегапарсек, а сопоставление расстояния и красного смещения удаленных сверхновых приводит к величине H0 = 73 ± 2 километров в секунду на мегапарсек. Получается, что расхождение между значениями постоянной составляет более трех стандартных отклонений (3σ), то есть их нельзя списать на статистическую погрешность. Это расхождение — одна из больших проблем современной астрофизики. В таких условиях разработка нового метода измерения постоянной Хаббла помогло бы уточнить данные и, возможно, разрешило бы противоречие.

Группа астрофизиков под руководством Тарун Сайни (Tarun Deep Saini) предложила такой метод и проверила его работоспособность с помощью численного моделирования. Основной объект исследований в новом методе — это гравитационные волны, излучаемые двойными системами сливающихся нейтронных звезд или черных дыр. В самом деле, по виду гравитационного сигнала можно точно определить расстояние до системы, а последние достижения в области гравитационной астрономии обещают, что даже при текущем уровне детекторов подобные регистрации будут происходить достаточно часто — за последние три года ученые поймали шесть гравитационных волн. К сожалению, большинство этих волн пришли от систем черных дыр, которые не производят видимого излучения — а значит, определить их красное смещение и рассчитать постоянную Хаббла невозможно. С другой стороны, для уменьшения статистической погрешности результата нужно собрать как можно больше данных. Единственное событие, сопровождавшееся вспышкой в гамма-диапазоне, позволяет получить погрешность порядка 15 процентов (H0 = 70 ± 10 километров в секунду на мегапарсек), то есть бесполезно для уточнения постоянной Хаббла.

Тем не менее, ученые придумали, как решить эту проблему. Конечно, точно установить положение отдельной системы сливающихся черных дыр нельзя, поскольку масса ее компонент заранее неизвестна. В то же время, одновременное использование трех гравитационных детекторов — два детектора LIGO и один детектор Virgo — позволяет установить направление на источник, хотя и очень грубо. Поэтому, собирая достаточно много данных по слияниям и учитывая примерные направления на источники, можно построить «черновую» карту распределения систем по небесной сфере. В то же время, мы точно знаем, что все такие системы находятся внутри галактик. Следовательно, накладывая «черновую» карту на известную карту галактик и «подкручивая» красное смещение каждой системы так, чтобы распределения совпали, можно довольно точно оценить красное смещение отдельных систем — а затем рассчитать для них постоянную Хаббла. Конечно, если бы галактики и черные дыры были равномерно распределены по небесной сфере, такой способ был бы бесполезен, потому что сопоставить карты было бы невозможно. К счастью, в действительности галактики собираются в группы и образуют хорошо различимые протяженные структуры (филаменты), разделенные областями пустого пространства, а потому карты должны быть взаимно скоррелированы.


Чтобы проверить эту идею, ученые численно смоделировали гравитационные волны от двойных систем черных дыр солнечной массы, которые были случайно раскиданы по известным галактикам, взятым из каталога SDSS и удаленным от Земли не более чем на миллиард парсек. Затем исследователи попытались восстановить красное смещение систем с помощью разработанной ими программы, которая полагалась на байесовский подход, то есть сравнивала предполагаемое распределение с наблюдаемым и максимизировала совпадение. В результате оказалось, что при текущем уровне детекторов ученым достаточно будет собрать данные по 25 гравитационным волнам, чтобы определить постоянную Хаббла с точностью порядка восьми процентов, а при дальнейшем сборе статистики погрешность измерений уменьшится еще сильнее и сравнится с погрешностью стандартных методов. Учитывая текущие темпы сбора статистики обсерваториями LIGO/Virgo, определение постоянной Хаббла с помощью предложенного метода займет от десяти до пятидесяти лет, однако запуск более чувствительных детекторов третьего поколения (таких как ET или LISA) существенно ускорит этот процесс.

В июне 2016 года американские астрофизики уточнили значение постоянной Хаббла, рассчитанной по красному смещению видимых галактик, и получили величину H0 = 73,25 ± 1,75 километров в секунду на мегапарсек — почти на 10 процентов больше значения, измеренного спутником «Планк». А в ноябре 2017 года астрофизики попытались устранить расхождение между значениями постоянной Хаббла, определяемых по гравитационному линзированию галактик и по реликтовому излучению, учитывая при расчетах конечность размера линзирующих объектов. Впрочем, от этого стало только хуже — пересчитанное значение H0 = 73 ± 3 километров в секунду на мегапарсек стало еще больше отличаться от результатов наблюдения спутника «Планк».

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.