Гравітаційний «шум» Всесвіту може допомогти розв’язати одну з головних загадок космології
Ми знаємо вже майже століття: Всесвіт розширюється. Швидкість цього розширення описує так звана стала Габбла. Але тут і починається проблема — різні способи її вимірювання дають різні результати. Ця невідповідність отримала назву «напруга Габбла» і сьогодні вважається однією з найсерйозніших відкритих проблем сучасної космології.
Тепер група дослідників з University of Illinois Urbana-Champaign та University of Chicago запропонувала новий підхід до вимірювання сталої Габбла — за допомогою гравітаційних хвиль. Їхня робота прийнята до публікації в Physical Review Letters.
У чому суть «напруги Габбла»?
Існують два основні способи виміряти швидкість розширення Всесвіту.
- Методи «пізнього Всесвіту» — базуються на спостереженні наднових зірок. Так звані «стандартні свічки» дозволяють обчислити відстань до галактик і швидкість їхнього віддалення.
- Методи «раннього Всесвіту» — спираються на дані про реліктове випромінювання та фізику перших сотень тисяч років після Великого вибуху.
Обидва підходи базуються на перевірених фізичних законах, однак дають різні значення сталої Габбла. Якщо ця розбіжність не є похибкою вимірювань, це може означати, що ми чогось не розуміємо в будові раннього Всесвіту — можливо, існує рання темна енергія, нові взаємодії темної матерії або інша, ще невідома фізика.
Гравітаційні хвилі як «стандартні сирени»
Останніми роками з’явився третій підхід — використання гравітаційних хвиль. Ці крихітні «брижі» у просторі-часі виникають під час злиття чорних дір або нейтронних зір. Їх реєструє міжнародна співпраця LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration.
Вимірювання через гравітаційні хвилі називають методом «стандартних сирен». За формою сигналу можна точно визначити відстань до місця злиття. Але є проблема: щоб обчислити сталу Габбла, потрібно знати не лише відстань, а й швидкість віддалення галактики. А для цього треба або побачити світловий спалах події, або точно визначити її «домівку» — галактику, де вона сталася. Такі збіги трапляються рідко.
Новий підхід: слухати космічний «фон»
Команда на чолі з Ніколасом Юнесом і Брайсом Казінсом запропонувала інший шлях. Замість аналізу окремих злиттів вони звернули увагу на гравітаційний хвильовий фон — сумарний «гул» від великої кількості далеких зіткнень чорних дір, які надто слабкі, щоб їх можна було зафіксувати окремо.
Цей фон виникає стохастично (випадково), тому метод отримав назву «стохастична сирена».
Ідея така:
- якщо стала Габбла менша, то об’єм доступного Всесвіту також менший;
- тоді густина злиттів чорних дір має бути більшою;
- отже, гравітаційний фон мав би бути сильнішим.
Якщо ж фон не спостерігається, це дозволяє відкинути занадто низькі значення сталої Габбла.
Перевірка на практиці
Дослідники застосували свій метод до наявних даних LIGO-Virgo-KAGRA. Гравітаційний фон поки що не виявлено, але навіть його відсутність уже дає обмеження на можливі значення швидкості розширення.
Поєднавши новий метод із даними про окремі злиття чорних дір, команда отримала уточнене значення сталої Габбла — і воно потрапляє в область «напруги Габбла». Це означає, що новий підхід справді може допомогти розібратися в проблемі.
Що далі?
Чутливість детекторів гравітаційних хвиль постійно зростає. Очікується, що протягом найближчих шести років гравітаційний фон буде безпосередньо зафіксований.
Коли це станеться, метод «стохастичної сирени» зможе:
- значно точніше визначити сталу Габбла;
- допомогти уточнити вік Всесвіту;
- дати нові підказки про природу темної енергії та темної матерії.
Чому це важливо?
Якщо розбіжність у вимірюваннях збережеться навіть після незалежних перевірок, це означатиме, що сучасна космологічна модель потребує перегляду. Можливо, Всесвіт містить додаткові форми енергії або нові типи взаємодій.
Гравітаційний «шум» космосу — те, що ще кілька років тому здавалося лише теоретичною можливістю, — тепер перетворюється на потужний інструмент перевірки фундаментальних законів природи. І, можливо, саме він допоможе нам остаточно відповісти на питання: з якою швидкістю насправді розширюється Всесвіт.