Як швидко розширюється наш Всесвіт?
Стала Хаббла є одним із найважливіших чисел у космології, оскільки вона говорить нам, наскільки швидко розширюється Всесвіт. Існують різні методи вимірювання цього показника. Однак визначення точності цього числа має важливе значення для кращого розуміння таких фундаментальних питань, як вік, історія та структура Всесвіту.
Нове дослідження двома Чиказький університет астрофізики пропонують спосіб зробити цей розрахунок: використовуючи пари чорних дір, що стикаються, і таким чином зрозуміти еволюція всесвіту, з чого він зроблений і куди йде.
На думку вчених, нова техніка, яка отримала назву «спектральна сирена», може надати інформацію про невловимі «підліткові» роки Всесвіту.
Іноді дві чорні діри стикаються. Ця подія настільки потужна, що створює a просторово-часова брижа що мандрує всесвітом. Ці брижі також відомі як гравітаційні хвилі.
Гравітаційно-хвильова обсерваторія лазерного інтерферометра США (LIGO) та італійська обсерваторія Virgo можуть вловити ці брижі тут, на Землі. За останні кілька років LIGO та Virgo зібрали показання з майже 100 пар чорні діри стикаються.
Сигнал від кожного зіткнення містить інформацію про наскільки масивними були чорні діри. Але сигнал подорожував у космосі, і за цей час Всесвіт розширився, що змінило властивості сигналу.
Астрофізик з університету Чикаго Деніел Хольц, один із двох авторів статті, сказав: «Наприклад, якщо взяти чорну діру і помістити її раніше у Всесвіт, сигнал зміниться, і вона буде виглядати більшою чорною дірою, ніж вона є».
Визначення способу оцінки того, як цей сигнал змінився, може допомогти вченим обчислити швидкість розширення Всесвіту. Однак проблема полягає в калібруванні: як вони знають, наскільки він змінився від оригіналу?
У цьому новому дослідженні вчені припускають, що вони можуть використовувати нові знання про всю популяцію чорних дір як інструмент калібрування. Наприклад, поточні дані свідчать про те, що більшість виявлених чорних дір мають масу від п’яти до 40 разів більшу за масу нашого Сонця.
Перший автор Хосе Марія Ескіага, науковий співробітник НАСА Ейнштейна та співробітник Інституту космологічної фізики Кавлі, який працює з Холцем в Університеті Чикаго, сказав: «Тож ми вимірюємо маси найближчих чорних дір і розуміємо їхні особливості, а потім дивимося далі й бачимо, наскільки ті дальші, здається, зрушилися. І це дає вам міру розширення Всесвіту».
Вчені схвильовані, тому що в майбутньому, у міру розширення можливостей LIGO, метод може надати унікальне вікно в «підліткові» роки Всесвіту — близько 10 мільярдів років тому, — які важко вивчати іншими методами.
Автори відзначили, «Інша перевага цього методу полягає в тому, що прогалини в наших наукових знаннях створюють менше невизначеностей. Метод може відкалібрувати себе за допомогою всього населення чорних дір, безпосередньо ідентифікуючи та виправляючи помилки. Інші методи, які використовуються для обчислення постійної Хаббла, спираються на наше поточне розуміння фізики зірок і галактик, яке включає багато складної фізики та астрофізики. Це означає, що вимірювання можуть бути значно відхилені, якщо є щось, чого ми ще не знаємо».
«Натомість цей новий метод чорних дір майже повністю покладається на Теорія гравітації Ейнштейна, який добре вивчений і протистояв усім методам, які вчені намагалися перевірити досі».
Holz сказав, «Чим більше показань вони отримають від усіх чорних дір, тим точнішим буде це калібрування. Бажано, щоб нам потрібні були тисячі таких сигналів, які ми маємо отримати за кілька років, і навіть більше за наступне десятиліття чи два. На той момент це був би неймовірно потужний спосіб дізнатися про Всесвіт».
Довідка з журналу:
- Хосе Марія Ескіага та Даніель Е. Хольц. Спектральні сирени: космологія повного розподілу мас компактних подвійних систем. Фіз. Rev. Lett. 129, 061102 – Опубліковано 3 серпня 2022 р. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061102
