Гравитационные волны от нейтронных звезд подтвердят расширение Вселенной

Изображение галактик MCG+01-38-004 (сверху) и MCG+01-38-005 (снизу)

NASA

Американские астрофизики предложили измерять постоянную Хаббла с помощью гравитационных волн, которые рождаются при слияниях двойных систем нейтронных звезд или черных дыр. По оценкам ученым, для измерения с погрешностью порядка двух процентов потребуется всего пять лет наблюдений модернизированных обсерваторий LIGO/Virgo, а в течение 10 лет погрешность может быть уменьшена до одного процента. Статья опубликована в Nature и находится в свободном доступе.

Одна из самых больших проблем современной космологии — это расхождение между значениями постоянной Хаббла, полученными двумя независимыми способами. Постоянная Хаббла — это величина, которая описывает скорость расширения Вселенной: чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она от нас «убегает», а коэффициентом пропорциональности выступает постоянная H0. Поэтому самый очевидный способ измерить постоянную Хаббла — оценить скорость галактики по ее красному смещению (разумеется, с поправкой на космологическое красное смещение), рассчитать независимым способом расстояние до галактики, а потом поделить две величины. Подробнее про измерение расстояний в космосе можно прочитать в материале «Звезда с звездою говорит». Такой способ дает значение постоянной Хаббла H0 ≈ 73 ± 2 километра в секунду на мегапарсек.

С другой стороны, расширение Вселенной «растягивает» неоднородности реликтового излучения, возникшие из-за квантовых флуктуаций на ранних этапах жизни Вселенной, и по величине этих неоднородностей тоже можно оценить постоянную Хаббла. Последние наблюдения спутника Planck, наблюдавшего за реликтовым излучением в 2009–2013 годах, приводят к значению H0 ≈ 67,6 ± 0,6 километра в секунду на мегапарсек. Таким образом, расхождение между двумя значениями одной постоянной достигает трех стандартных отклонений (3σ), а потому их нельзя списать на статистическую погрешность. Ученые пытались объяснить это несоответствие различными систематическими эффектами, однако их попытки ни к чему не привели. Поэтому астрономы стараются измерить постоянную Хаббла независимым способом, чтобы получить больше информации о расширении Вселенной и найти причины, по которым наблюдения приводят к разным результатам.

Группа ученых под руководством Даниэля Гольца (Daniel Holz) предложила измерять постоянную Хаббла с помощью гравитационных волн, которые рождаются при слиянии систем двух нейтронных звезд. Большинство таких событий должны сопровождаться гамма-всплеском. Расстояние системы и ее положение на небесной сфере можно рассчитать с помощью гравитационных волн, пойманных обсерваториями на разных концах Земли, а по гамма-всплеску можно оценить красное смещение системы. Впервые такой «двойной» сигнал ученые зарегистрировали в августе прошлого года (GW170817), и соответствующие расчеты привели к значению H0 ≈ 70 ± 10 километров в секунду на мегапарсек. Таким образом, погрешность отдельного измерения составляет примерно 15 процентов, однако с течением времени она должна уменьшаться обратно пропорционально корню из числа измерений: ΔH0 ~ 0,15/√N. При числе N ~ 50 погрешность измерений будет примерно равна двум процентам, а при N ~ 200 уменьшится до одного процента. Такое поведение обусловлено тем, что при большом числе экспериментальных данных (N > 20) экспериментально измеренные значения H0 будут выстраиваться вдоль распределения Гаусса, хотя апостериорное распределение вероятности этой величины заметно от него отклоняется.

Кроме того, ученые оценили, за какой промежуток времени погрешность измерений с помощью гравитационных волн сравнится с «традиционными» измерениями, то есть достигнет двух процентов. Единственное измерение позволяет предположить, что в среднем частота таких событий составляет 1,5 ± 1,2 события в год на кубический гигапарсек. После модернизации «O3 HLV», которую группа LIGO/Virgo планирует закончить в 2019 году, детекторы смогут «просматривать» космос на глубину около ста мегапарсек, то есть в среднем будут регистрировать порядка пяти событий в год. Когда же дальность детекторов достигнет двухсот мегапарсек — организация планирует, что это произойдет уже к 2023 году, — частота вырастет до 30 событий в год. Таким образом, в течение пяти ближайших лет ученые должны зарегистрировать около ста слияний нейтронных звезд, которые сопровождаются гравитационными волнами, а погрешность измерений постоянной Хаббла достигнет двух процентов. Впрочем, на практике частота событий может оказаться в несколько раз ниже, и тогда измерения растянутся на гораздо большее время.

Кроме того, исследователи предложили еще один способ измерения постоянной Хаббла, основанный на слияниях двойных черных дыр. В отличие от нейтронных звезд, такие системы не излучают электромагнитные волны, а потому оценить их красное смещение напрямую невозможно. Тем не менее, это можно сделать косвенно, «подгоняя» распределение черных дыр под известное распределение галактик. К сожалению, масса черных дыры может во много раз превышать массу нейтронных звезд, а погрешность определения их координат на небесной сфере довольно высока, поэтому связать эти распределения довольно сложно. Из-за этого погрешность постоянной Хаббла медленно уменьшается с ростом числа событий. По оценкам ученых, к 2026 году этот метод позволит получить относительную погрешность не лучше 10 процентов. Тем не менее, в будущем он тоже может пригодиться.

Стоит заметить, что в этом году мы уже писали про измерение постоянной Хаббла с помощью гравитационных волн, а потому может показаться, что группа Даниэля Гольца «украла» более раннюю работу. Разумеется, в действительности это не так. Несмотря на то, что работа группы Даниэля Гольца была опубликована в Nature только на прошлой неделе, ученые выложили ее препринт еще в декабре прошлого года. С другой стороны, работа группы Тарун Сайни (Tarun Deep Saini) опубликована в Physical Review D в июле 2018 (раньше почти на три месяца), но ее препринт появился только в апреле. Более того, эта работа развивает идею группы Гольца об измерении постоянной Хаббла с помощью статистического анализа гравитационных волн, рождающихся при слиянии черных дыр — ранняя статья указывает на такую возможность и качественно оценивает время, которое понадобится на уменьшение погрешности измерений до приемлемой величины, однако не проводит количественный анализ. Группа Сайни исследует эту возможность гораздо подробнее. Тем не менее, первенство в этом вопросе скорее принадлежит группе Гольца.

Хотя группа LIGO зарегистрировала первые гравитационные волны всего три года назад, физики активно используют новый канал наблюдений за Вселенной. Например, в феврале этого года американские физики подтвердили четырехмерность нашего пространства-времени и установили нижние границы на время жизни гравитона, сравнивая расстояние до далеких объектов, измеренное по красному смещению и по скорости затухания гравитационных волн. В июле прошлого года ученые из США и Швейцарии оценили скорость гравитационных волн по всего трех измерений группы LIGO/Virgo, доступных на тот момент. Правда, всего через несколько месяцев гравитационные обсерватории зарегистрировали гравитационные волны от вспышки килоновой, которые наложили гораздо более строгие ограничения на эту скорость. Кроме того, теоретически с помощью гравитационных детекторов можно искать первичные черные дыры и экзотические компактные объекты.

Подробнее прочитать про перспективы гравитационной астрономии можно в материалах «За волной волна» и «2017: Рождение многоканальной астрономии».

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.