Сверхсветовые выбросы от слияния нейтронных звезд помогут снять «напряженность Хаббла»

Астрофизики тщательно изучили данные о выбросе вещества при слиянии нейтронных звезд, при котором была зафиксирована гравитационная волна, и пришли к выводу, что для уменьшения расхождения в оценках темпа расширения Вселенной (так называемой «хаббловской напряженности») потребуется пронаблюдать еще 15 таких событий, а не 50–100, как считали раньше, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy.

Скорость расширения Вселенной выражается через постоянную Хаббла — отношение кажущейся скорости убегания далеких галактик к расстоянию до них. Вопреки названию постоянная Хаббла меняется со временем: в частности, в ранней Вселенной ее значение было намного больше, так как Вселенная расширялась гораздо быстрее.

Существует несколько методов определения темпа расширения в текущую эпоху, которые до недавнего времени давали согласующиеся в пределах ошибок значения — около 70 километров в секунду на мегапарсек. Однако в последние несколько лет с увеличением точности двух основных методов измерения они стали давать противоречивые оценки. Метод стандартных свеч, который основан на падении яркости сверхновых в локальной Вселенной, дает значение 74,03 ± 1,42 км/с/Мпк. В то же время на основе анализа реликтового излучения получается 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк.

Сложившаяся ситуация получила название «Hubble tension» («хаббловская напряженность») и в данный момент многими астрофизиками считается важнейшей проблемой. Для ее разрешения предложено множество гипотез. Некоторые ученые говорят, что меньшее значение неверно, так как оно получается из данных о ранней Вселенной (время появления реликтового излучения — 380 000 лет после Большого взрыва) и зависит от дальнейшей эволюции. В таком случае, если в прошлом некое явление оказывало влияние, а затем сошло на нет, то экстраполяция данных к современному состоянию будет давать неправильное значение.

С другой стороны, свойства окружающей Млечный Путь локальной Вселенной также могут оказаться не совсем такими же, как у остального пространства в целом. В рамках этой идеи астрономы сделали предположение, что мы находимся на границе огромного войда, то есть области с пониженной концентрацией галактик и, следовательно, повышенным темпом расширения. Однако в последних работах следов этого эффекта не удается найти.

Одним из способов разрешить затруднительную ситуацию может стать использование нового метода, полностью независимого от других. Такой метод уже предложен — это «стандартные сирены», то есть одновременное наблюдение гравитационных и электромагнитных волн от одного события. Наилучшим вариантом является слияние нейтронных звезд, так как оно порождает мощный сигнал в обоих каналах. На данный момент зарегистрировано лишь одно подобное событие GW170817. Первичный анализ этого события дал значение постоянной Хаббла 74 километра в секунду на мегапарсек с ошибками порядка 10.

Затем ученые детально исследовали в радиодиапазоне порожденный слиянием джет — быстрый поток частиц. Это позволило уточнить угол ориентации — основной источник ошибок. Оказалось, что движение выглядит как будто сверхсветовым, однако в реальности кажущееся превышение скорости света связано с углом обзора. Такой эффект известен, в частности, для струй в ядрах квазаров, но у нейтронных звезд эти потоки гораздо меньшего масштаба.

Кента Хотокезака (Kenta Hotokezaka) из Принстонского университета и его коллеги использовали уточненные данные о структуре слияния, что позволяет существенно улучшить оценку постоянной Хаббла: новое значение составляет 70,3 ± 5 км/с/Мпк, то есть точность составляет примерно 7 процентов. Ожидаемая точность определения по сверхновым должна достичь одного процента в течение нескольких лет.

Авторы отмечают, что большинство используемых сегодня методов определения скорости расширения Вселенной опирается либо на лестницу шкал расстояний, либо на космологические модели. Оба этих способа могут обладать скрытыми ошибками и допускают влияние неучтенных факторов. Исключением является использование геометрического расстояния до наблюдаемых в центрах некоторых галактик мегамазеров, но его точность составляет всего 6 процентов. В то же время стандартные сирены практически лишены этих недостатков, лишь при анализе радиоданных используют некоторые модельные предположения.

В результате ученые приходят к выводу, что наблюдения около 15 слияний нейтронных звезд будет достаточно для определения постоянной Хаббла с точностью около двух процентов, в то время как ранее подобной точности ожидали лишь от 50–100 событий. Однако для этого должно быть выполнено несколько условий: слияние должно наблюдаться как в виде гравитационных волн, так и в виде электромагнитных, а джет должен быть ориентирован подходящим образом (вероятность этого оценивается на уровне 40 процентов).

Недавно гравитационные антенны зарегистрировали новое событие, похожее на слияние нейтронных звезд, но уверенной регистрации события обычными телескопами не последовало, поэтому в плане темпа расширения Вселенной это новой информации не дает. Также ученые нашли свидетельства близкого слиянии нейтронных звезд в прошлом благодаря наличию урана в метеоритах.

Тимур Кешелава