Гравитационные волны и постоянная Хаббла
Вселенная расширяется — это факт, известный науке уже почти столетие. Но с какой именно скоростью она это делает? Этот, казалось бы, простой вопрос вот уже несколько десятилетий раскалывает научное сообщество. Проблема, получившая название «напряжение Хаббла» (или хаббловское расхождение), заключается в том, что два основных способа измерения современной скорости расширения (постоянной Хаббла) дают несовпадающие результаты. Данные из ранней Вселенной «говорят» об одном значении, а наблюдения за более поздними эпохами — о другом. Это противоречие — одна из самых интригующих загадок современной физики, которая может указывать на то, что наше понимание устройства мироздания неполно.
Группа ученых из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и Чикагского университета предложила элегантный и мощный способ разрешить этот спор. Их новый инструмент — это даже не просто гравитационные волны, а их «неслышимый» большинством детекторов фон.
Гравитационные волны — это рябь самой ткани пространства-времени, возникающая при катастрофических космических событиях, таких как слияния черных дыр. До сих пор астрофизики использовали для расчетов только самые громкие и отчетливые сигналы от таких столкновений. Но новый метод, получивший название «стохастическая сирена» (Stochastic Siren), предлагает прислушаться к тишине. Вернее, к тому, что скрывается за шумом.
«Если представить, что каждый "всплеск" от слияния черных дыр — это крик, то наш метод изучает общий гул голосов на заднем плане, — объясняет ведущий автор исследования Брайс Казинс, аспирант Иллинойского университета. — Мы знаем частоту таких событий во Вселенной. Это позволяет предсказать, насколько интенсивным должен быть фоновый шум от тех слияний, которые мы пока не можем зарегистрировать по отдельности».
Логика ученых изящна: если Вселенная расширяется медленнее (то есть постоянная Хаббла имеет меньшее значение), то доступный для наблюдения объем пространства меньше, а плотность слияний черных дыр в нем — выше. Это неизбежно привело бы к более мощному и отчетливому фоновому гулу гравитационных волн. Однако современные детекторы LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) этого гула пока не слышат. Отсутствие сигнала само по себе становится важнейшим доказательством: оно исключает слишком медленные темпы расширения Вселенной.
«Это не каждый день случается — найти совершенно новый инструмент для космологии, — комментирует соавтор исследования Дэниэл Хольц, профессор Чикагского университета. — Мы показали, что даже фоновый шум от далеких черных дыр может рассказать нам о возрасте, составе и судьбе Вселенной».
Профессор Николас Юнес, руководитель Иллинойского центра перспективных исследований Вселенной (ICASU), подчеркивает важность независимых методов: «Наш подход — это инновационный способ повысить точность выводов о постоянной Хаббла, не полагаясь на свет или электромагнитное излучение, а используя исключительно гравитационно-волновую рябь. Это открывает путь к разрешению существующего конфликта в данных».
Команда уже применила свой метод к имеющимся данным коллаборации LVK и объединила его с результатами наблюдений за отдельными слияниями черных дыр. Это позволило получить более точное значение постоянной Хаббла, которое сместилось как раз в зону «напряжения», подтверждая эффективность новой техники.
Ожидается, что в ближайшие 5–6 лет чувствительность детекторов возрастет настолько, что фоновый «голос» Вселенной будет наконец услышан напрямую. И тогда метод стохастической сирены сможет дать окончательный ответ: кто же прав — наблюдатели ранней Вселенной или ее «поздних» обитателей? А возможно, ответ будет еще более захватывающим: правы окажутся все, но для примирения их данных потребуется новая физика. Например, существование ранней темной энергии или необычные взаимодействия темной материи с нейтрино.
Исследование, опубликованное в авторитетном журнале Physical Review Letters (и доступное на сервере препринтов arXiv), знаменует собой важный шаг на пути к пониманию самых основ нашего мироздания. Теперь у космологов появился еще один мощный инструмент, способный услышать то, что прежде казалось лишь тишиной.
