Слабое космическое эхо поможет измерить скорость расширения Вселенной
Уже десятки лет астрономы сталкиваются с загадкой — разные методы измерения скорости расширения Вселенной, или постоянной Хаббла, дают несовпадающие значения. Новая методика, основанная на анализе фона гравитационных волн от слияний чёрных дыр, может приблизить науку к разрешению этого противоречия, предложив независимое, более точное измерение.
Команда учёных из Иллинойсского университета в Урбане и Чикагского университета представила способ использования слабого гравитационного шума, порождённого множественными неразличимыми поодиночке слияниями чёрных дыр в удалённых галактиках. Этот шум, называемый гравитационным волновым фоном, сохраняет информацию о скорости расширения Вселенной, которую можно извлечь, сравнивая интенсивность с ожидаемым объёмом наблюдаемой Вселенной.
Как измеряют постоянную Хаббла и что не сходится
Традиционно для оценки скорости расширения применяют «стандартные свечи» — яркие сверхновые, чей известный световой поток позволяет вычислить расстояние и скорость удаления галактик. Но методы, опирающиеся на наблюдения ранней Вселенной, и методы, использующие данные последних эпох, последовательно расходятся в показаниях, создавая так называемое напряжение Хаббла.
Гравитационные волны, впервые зарегистрированные коллаборацией LVK с детекторами LIGO, Virgo и KAGRA, открыли новый канал измерений. Стандартный способ сирана — измерение расстояния до события слияния чёрных дыр с одновременной фигурой светового сигнала или идентификацией галактики — оказывается сложным, поскольку большинство таких событий не сопровождаются электромагнитным излучением.
Метод стохастического сирана и его потенциал
Новый метод — стохастический сирана — учитывает слабый, но непрерывный гравитационный фоновый шум, порождённый числом слияний, слишком слабых, чтобы их можно было зарегистрировать индивидуально. Логично предположить, что при меньшей постоянной Хаббла объём воспринимаемой Вселенной меньше, события теснее сгущены, а гравитационный шум будет сильнее. Напротив, отсутствие обнаружения фонового сигнала на определённом уровне позволит исключить слишком медленное расширение.
Тестирование метода на текущих данных LVK дало возможность исключить слишком низкие значения скорости расширения. В сочетании с измерениями по отдельным событиям слияний команда получила более сжатый диапазон возможных значений постоянной Хаббла — всё ещё в зоне напряжения, но с перспективой его разрешения.
По мере роста чувствительности детекторов гравитационных волн прогнозируется, что фоновый шум будет детально зарегистрирован в ближайшие шесть лет, что существенно сведёт к минимуму возможные значения постоянной Хаббла и даст новую грань понимания состава и динамики Вселенной.
Среди возможных причин текущего расхождения учёные рассматривают вариации тёмной энергии, взаимодействия тёмной материи с нейтрино и новые свойства тёмной материи, что делает независимые и точные методы измерения особенно важными для будущей космологии.
