Ученые предлагают новый метод уточнения постоянной Хаббла

Группа международных ученых, возглавляемая Галисийским институтом физики высоких энергий (IGFAE) и Центром передового опыта ARC по открытию гравитационных волн (OzGrav), предложила новый метод, позволяющий повысить точность измерений постоянной Хаббла с погрешностью до 2% с помощью одного наблюдения пары сливающихся нейтронных звезд.

Вселенная находится в непрерывном расширении. Из-за этого удаленные объекты, такие как галактики, удаляются от нас. На самом деле, чем дальше они находятся, тем быстрее они движутся. Ученые описывают это расширение через известное число, известное как постоянная Хаббла, которое говорит нам, как быстро объекты во Вселенной удаляются от нас в зависимости от их расстояния до нас.

Точно измерив постоянную Хаббла, мы также можем определить некоторые из наиболее фундаментальных свойств Вселенной, включая ее возраст.

В течение десятилетий ученые измеряли постоянную Хаббла с возрастающей точностью, собирая электромагнитные сигналы, испускаемые по всей Вселенной, но приходя к сложному результату: два текущих лучших измерения дают противоречивые результаты.

С 2015 года ученые пытались решить эту проблему с помощью науки о гравитационных волнах, ряби в ткани пространства-времени, которые движутся со скоростью света. Гравитационные волны генерируются при самых сильных космических событиях и обеспечивают новый канал информации о Вселенной. Они испускаются во время столкновения двух нейтронных звезд — плотных ядер коллапсировавших звезд и могут помочь ученым глубже проникнуть в тайну постоянной Хаббла.

В отличие от черных дыр, сливающиеся нейтронные звезды производят как гравитационные, так и электромагнитные волны, такие как рентгеновские лучи, радиоволны и видимый свет. В то время как гравитационные волны могут помочь измерить расстояние между слиянием нейтронных звезд и Землей, электромагнитные волны могут помочь измерить, насколько быстро вся галактика удаляется от Земли.

Это создает новый способ измерения постоянной Хаббла. Однако даже с помощью гравитационных волн все еще сложно измерить расстояние до слияния нейтронных звезд — отчасти поэтому текущие измерения постоянной Хаббла на основе гравитационных волн имеют неопределенность ~16%, что намного больше, чем существующие измерения с использованием других традиционных методов.

В недавно опубликованной статье в журнале Astrophysical Journal Letters группа ученых предложила простой новый метод, позволяющий снизить неопределенность этих измерений до 2%, используя наблюдение пары сливающихся нейтронных звезд.

По словам профессора Кальдерона Бустильо, трудно интерпретировать, как далеко происходят эти слияния, потому что «в настоящее время мы не можем сказать, находится ли двойная система очень далеко и обращена к Земле, или если она намного ближе, и лежит с Землей в ее орбитальной плоскости.» Чтобы выбрать между этими двумя сценариями, команда астрономов предложила изучить вторичные, гораздо более слабые компоненты сигналов гравитационных волн, испускаемых слияниями нейтронных звезд, известных как высшие моды.

«Точно так же, как оркестр играет на разных инструментах, слияния нейтронных звезд излучают гравитационные волны в разных режимах», — объясняет профессор Кальдерон Бустильо. «Когда сливающиеся нейтронные звезды будут обращены к вам, вы услышите только самый громкий инструмент. Однако, если вы находитесь близко к орбитальной плоскости слияния, вы также должны услышать второстепенные. Это позволяет нам определить наклон слияния нейтронных звезд и лучше измерить расстояние.»

Однако этот метод не является полностью новым: «Мы знаем, что это хорошо работает в случае слияний очень массивных черных дыр, потому что наши современные детекторы могут регистрировать момент слияния, когда наиболее заметны более высокие моды. Но в случае нейтронных звезд высота сигнала слияния настолько высока, что наши детекторы не могут его зафиксировать. Мы можем записывать только более ранние сигналы», — говорит Кальдерон Бустильо.

Будущие детекторы гравитационных волн, такие как предлагаемый австралийский проект NEMO, смогут получить доступ к фактической стадии слияния нейтронных звезд.

«Когда две нейтронные звезды сливаются, ядерная физика, управляющая их материей, может вызвать очень богатые сигналы, которые, если их обнаружить, могут позволить нам точно знать, где находится Земля по отношению к орбитальной плоскости слияния», — говорят ученые. «Такой детектор, как НЕМО, мог бы обнаружить эти сигналы».

В своем исследовании команда провела компьютерное моделирование слияния нейтронных звезд, которое может выявить влияние ядерной физики звезд на гравитационные волны. Изучая эти модели, команда ученых определила, что детектор, подобный NEMO, может измерять постоянную Хаббла с неопределенностью до 2%.

«Одна из самых захватывающих вещей в нашем результате заключается в том, что мы получили такое значительное улучшение, рассматривая довольно консервативный сценарий. В то время как НЕМО действительно будет чувствителен к излучению слияний нейтронных звезд, будущие более мощные детекторы, такие как Einstein Telescope или Cosmic Explorer, будут еще более чувствительными, что позволит нам измерять расширение Вселенной с еще большей точностью!».

Одно из самых выдающихся следствий этого исследования заключается в том, что оно поможет определить, равномерно ли расширяется Вселенная в пространстве, как в настоящее время предполагается.

Juan Calderón Bustillo et al. Mapping the Universe Expansion: Enabling Percent-level Measurements of the Hubble Constant with a Single Binary Neutron-star Merger Detection, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/abf502